§ 7. ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ

Определение люминесценции Вавилова — Видемана.

Люминесценция, известная человеку с незапамятных времен как холодное свечение гниющего дерева, насекомых, водорослей, болотного газа, систематически исследуется с середины прошлого века. В 1852 г. Дж. Стокс сформулировал исторически первый закон люминесценции (правило Стокса), согласно которому длина волны люминесценции больше длины волны возбуждающего света. В это же время Э. Беккерель положил начало экспериментальному изучению спектра, эффективности и длительности холодного свечения. Термин «люминесценция» введен в литературу в 1889 г. Е. Видеманом, который дал первое, хотя и не совсем точное, определение этого свечения как превышения над фоном теплового испускания.

Определение Е. Видемана отражало важнейшее свойство люминесценции, но оно было слишком широко и охватывало все виды неравновесного свечения, в том числе релеевское и комбинационное рассеяние, излучение Вавилова — Черенкова и тормозное излучение.

Чтобы выделить люминесценцию из других видов неравновесного свечения, С. И. Вавилов предложил использовать

критерий длительности [112]. Определение люминесценции по Вавилову — Видеману можно сформулировать так: 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 [118] развит метод расчета мощности люминесценции При оптических переходах между двумя любыми уровнями атома с номерами она равна [87, 118]

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

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

причем

Коэффициенты Эйнштейна связаны между собой соотношениями:

где статистические веса уровней;

Первое слагаемое в (7.1) дает мощность спонтанного испускания возбужденной системы. Из него вычитается мощность поглощения планковской радиации, равная

При выводе формулы (7.1) авторы [118] исходили из того, что возбужденная система должна находиться в равновесии

с фоном теплового испускания. Количество поглощенной план-ковской 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 (7.1), можно использовать при изучении свечения полупроводников. На основании (7.1) спектральную плотность мощности люминесценции в общем случае можно выразить формулой

где коэффициент поглощения в частоте

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

Если в результате возбуждения поглощающее вещество превращается в активную среду, т. е. его коэффициент поглощения в некоторых частотах становится отрицательным (§ 19), то на фоне спонтанного испускания возникают линии или полосы стимулированного испускания, которое нельзя отнести к люминесценции. В то же время, согласно (7.5), усиленное планковское излучение относится к люминесценции.

В литературе по оптике 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.

До появления квантовой электроники свечение полупроводников изучалось при невысоком уровне возбуждения. Стимулированное испускание и усиленная люминесценция отсутствовали. Так как для видимой и ближней инфракрасной областей спектра при комнатной и более низких температурах фон теплового испускания ничтожно мал и им можно пренебречь, то в таких условиях все рекомбинационное излучение полупроводников практически сводилось к люминесценции. Это давало основания называть люминесценцию рекомбинационным излучением.

В современных условиях, когда широко используются мощные источники возбуждения и интенсивно исследуются стимулированное излучение, усиленная люминесценция и генерация, термин «рекомбинационное излучение» представляется неудачным и его нельзя использовать как синоним люминесценции.