Люминесценция (Л.) — нетепловое свечение вещества, происходящее после поглощения им энергии возбуждения (стр. 2 )

Поглощение, связанное с возбуждением основного состоя­ния, происходит, согласно принципу Франка — Кондона, так, что соседние ионы в решетке не изменяют при этом своего взаимного расположения, т. е. их, можно считать фиксированными в узлах решетки. Ширина полосы поглощения определяется нулевыми колебаниями и тепловым движением ре­шетки; эти движения могут вызвать переходы в некотором интервале значений конфигурационной координаты. Время жизни возбужденного состояния (например, состояния) при­мерно в 10 раз превышает период колебаний решетки. Поэтому возникающее при поглощении возбужденное состояние бу­дет изменять свою энергию, приходя в тепловое равновесие с ре­шеткой. В соответствии с принципом Франка — Кондона люми­несцентное излучение происходит в результате перехода из состояния в состояниепри значении конфигурационной координаты, отвечающем минимуму энергии возбужденного со­стояния. Перераспределение энергии при переходах и (см. рис. 2) приводит к испусканию фононов. Люминесценция фосфоров, активированных двухвалентным марганцем, носит в известной мере тот же характер, что и фос­форов, активированных таллием. Двухвалентный марганец яв­ляется эффективным активатором для многих кристаллов; фос­форы, активированные марганцем, применяются в качестве светящихся составов в флуоресцентных лампах и при изготовлении покрытий для экранов электронных осциллографов.

  Люми­несценцией называется избыток над температурным излуче­нием тела, если это избыточное излучение обладает конечной длительностью, превышающей период световых колебаний.

В соответствии с этим определением в работе [8] раз­вит метод расчета мощности люминесценции . При оп­тических переходах между двумя любыми уровнями атома с номерами i и j она равна [50, 8]

       (1)

где и ,—населенности верхнего и нижнего энергетических уровней;  ,,—коэффициенты Эйнштейна для спонтанных и вы­нужденных переходов; —плотность теплового излучения, выра­жаемая функцией Планка:

  .  (2)

В шкале частот для вакуума, где фазовая и группо­вая скорости равны скорости света , эта функция имеет вид

причем .

Коэффициенты Эйнштейна связаны между собой соотношени­ями:

,

, (3)

где и — статистические веса уровней; .

Первое слагаемое в (1) дает мощность спонтанного испус­кания возбужденной системы. Из него вычитается мощность по­глощения планковской радиации, равная

       (4)

При выводе формулы (1) авторы [8] исходили из того, что возбужденная система должна находиться в равновесии с фоном теплового испускания. Количество поглощенной план­ковской радиации должно компенсироваться таким же коли­чеством испущенного излучения. Только при такой компенса­ции плотность равновесного излучения в окружающем прост­ранстве сохранится неизменной и нарушение равновесия внутри системы не вызовет изменений в состоянии среды.

Хотя люминесценция определена как превышение над фо­ном теплового испускания, было бы неправильно вычислять ее мощность как разность между мощностью спонтанного ис­пускания системы и мощностью ее теплового испускания, су­ществовавшего до момента возбуждения системы. Такой ме­тод расчета не учитывает изменения поглощательной способ­ности вещества, находящегося в возбужденном состоянии.

Идеи, заложенные при выводе формулы (1), можно ис­пользовать при изучении свечения полупроводников. На осно­вании (1) спектральную плотность мощности люминесцен­ции в общем случае можно выразить формулой

       (5)

где — коэффициент поглощения в частоте , - мощность спонтанного испускания.

Эта формула полностью соответствует определению лю­минесценции Вавилова — Видемана и справедлива как для атомно-молекулярных систем, так и для твердого тела. Специ­фика различных квантовомеханических систем учитывается только при вычислении и .

Если в результате возбуждения поглощающее вещество превращается в активную среду, т. е. его коэффициент погло­щения в некоторых частотах становится отрицательным [51], то на фоне спонтанного испускания возникают линии или полосы стимулированного испускания, которое нельзя от­нести к люминесценции. В то же время, согласно (5), уси­ленное планковское излучение относится к люминесценции.

В литературе по оптике [51] полупроводников вместо термина-«люминесценция» широко используется термин «рекомбинационное излучение». При этом неявно предполагается, что оба термина относятся к одному и тому же типу свечения. Однако эти термины не являются синонимами, и их не следу­ет смешивать. Под рекомбинацией в плазме, электролитах и полупроводниках обычно понимают исчезновение свободных носителей тока в результате слияния, объединения зарядов противоположного знака, например электронов и дырок в по­лупроводниках. Возникающее при этом излучение называет­ся рекомбинационным. В полупроводниках рекомбинационным излучением можно называть не только люминесценцию, но и все спонтанное излучение, стимулированное излучение, усиленную люминесценцию и лазерное излучение.