发光现象及发光特性-光子学设计基础

在4.4.1节，已经讨论了原子的量子发射过程。并注意到，一个原子在输入光子的作用下被提升到激励态，可以通过各中间能级返回到基态。的确，这是激光发射机理的基础，只要一种物质吸收了能量，能量的一部分就会以可见光或近可见光辐射的形式通过此类过程重新发射，这种现象称为“发光”。因此，有了光致发光（光子激励）、阴极射线致发光（电子激励）、热致发光（热激励）、化学致发光（化学反应激励）和场致发光（电场激励）等。

如果在激励过程中发光，该现象常称为“荧光”，而激励停止后发光称为“磷光”。显然，两者都是发光，并且在发射和吸收之间会有一些延迟，所以其间的差别不大。对于荧光，通常取10^-8s作为延迟上限，此范围以外称为磷光。

一般，磷光是由亚稳态（即较长非稳态）受激态造成的。进一步讲，它是由于固体材料中的杂质“激活剂”以某种方式使基质晶格变形而产生一些“陷阱”，使受激原子的电子在返回到基态之前可以在“陷阱”中“停留”较长一段时间。

由此产生的结果是，磷光常对温度较敏感，从图4.8所示很容易看出。一种物质吸收足够能量将原子从其基态E₀激励到某受激态E。已经发现，原子可以做其中的一件事情：直接返回到基态或者降为亚稳态E_m。假设，第一种概率远远大于第二种概率，则大部分光会作为频率为（E-E_m）/h的荧光快速发射出。然后，是更长周期的磷光。这主要是原子受热激励从E_m跃迁到E能级，继而再次快速衰退到E₀级的结果（见图4.8）。后面一种受控于E_m→E的热激励作用，概率为p₀exp[-（E-E_m）/（kT）]，对温度有很强的依赖性。因此，可以用纯光学方法（激励和探测），并根据衰退时间测量温度。已经证明，这种方法在某些应用领域非常有用。

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图4.8　与温度有关的磷光

非常能反映发光特性的另一种器件，是光发射二极管（Light-Emitting Diode，LED）。在该器件的结构中（见图4.9），p类和n类半导体形成一个结。由于多数载流子（即空穴和电子）通过该物理结扩散而使p-n结达到平衡，直到该场（由电荷分离所致）施加的力与扩散趋势之间形成平衡为止。如果将一个外部电场施加在该结上，其方向与平衡场（“正向偏压”）相反，就使不同能级的空穴和电子彼此抵消，产生能量等于材料带隙的光子，这就是场致发光的例子。这种发光过程的效率（即输入电子能生成光子的比例）完全取决于组合电子与空穴之间的动量差。为了使整个动量守恒，任何动量差一定是动量损耗或者增益，动量差越大，补偿过程（通常是指通过“光子”，即晶格振动能量，进行损耗或增益的过程）就越困难，转换效率就较低。两个动量相同的物质称为“直接带隙”半导体，最熟悉的两种材料是砷化镓（GaAs）和磷化镓（GaP）。在其中掺加杂质，有利于控制GaAs近红外光谱区和GaP可见光光谱区的发射波长，也可以按照一般的配方式GaAs_1-xP_x，通过x的变化来组成三重合金，以创造某种有用的新器件。这些材料广泛应用于光学装置，既坚固耐用、易操作、小型紧凑，又有合适的发射波长。如果GaAs晶体的两个端面精密地抛光、彼此平行，就形成法布里-珀罗（Fabry-Perot）激光腔，若从电源输入电子完成泵浦就会有激光发射。这就是广泛应用于光纤传感器和光纤通信中的半导体激光二极管（Semiconductor Laser Diode，SLD）的基础。

在本书第7章更详细地讨论光源时，会觉得此处对所有这些思想的阐述是非常有益的。