安丰一 雷一腾 于长兴 杨淑敏 雷江蛟 许莹莹

（1.喀什大学物理与电气工程学院 新疆喀什 844000；2.伊犁师范大学电子与信息工程学院 新疆伊宁 844000；3.绥化学院电气工程学院 黑龙江绥化 152000；4.镇江外国语学校 江苏镇江 212000）

辐射是来自物质的，而任何物体都包含着极大数目的原子或分子，每个原子或分子都有很多能级，从高能级跃迁到低能级都会发射光子，实际发射出来的电磁波就是这些大量光子的总和。各个原子或分子发射光子的过程基本上是相互独立的，光子发射的时间有先有后。光子发射时，原子或分子在空间的取向有各种可能，因而光子可向各个方向发射，其电磁场振荡有各种方向，再加上物体内各能级之间的相互影响，两能级之间的能量差会有极小的变动。

一、光电激发原理

激光是在外来光子的激发下诱发电子能态的转变，从而发射出与外来光子的频率、相位、传输方向以及偏振态均相同的相干光波。这种光即为激光（LASER,Light Amplified by Stimulated Emission of Radiation）,其主要特点是：高指向性，极窄的光谱线宽和高强度。激光辐射能量在空间和时间上高度集中，可以达到比太阳强1010倍的亮度[1]。激光为科学研究和计量检测提供了强有力的手段，而且大大推动了信息、医学、工业、能源和国防领域的现代化进程。激光之所以具有传统光源无与伦比的优越性，其根本关键在于它利用了材料的受激辐射。以下是我们对材料产生受激辐射的性质和激光的机制进行的研究。

我们都知道，材料的光吸收和光发射都是光和物质相互作用的基本过程。1917年爱因斯坦在研究“黑体辐射能量分布”这一当时世界难题时指出，光与物质的相互作用除了光吸收和光发射还有另外第三种基本过程，即受激辐射。为了与受激辐射相区别，前面所涉及的光发射应称为自发发射。我们在爱因斯坦关于黑体辐射的理论要点中，从中认识到光与物质相互作用的基本关系，可以概括为三种，大体上来说光的发射和吸收可经由三种基本过程：受激吸收（stimulat）、受激辐射和自发辐射。受激吸收就是固体吸收一个光子的过程，光子能量hv=E2-E1，固体中粒子的能级由E1跃迁到E2；自发辐射就是固体发射一个光子的过程，光子能量hv=E2-E1，固体中粒子的能级由E2跃迁到E1；受激辐射的过程是：当一个能量满足hv=E2-E1的光子趋近高能级E2的原子时，有可能诱导高能级原子发射一个和自己性质完全相同的光子，此受激辐射的光子与入射光子具有相同的频率、方向和偏振状态，因此，受激辐射是一种共振或相干过程，一个入射光子被放大为两个光子，若此过程继续，则入射光子的数目成等比级数地放大。由此可以看到，受激辐射是受激吸收的逆过程，它的发生使高能级的原子数减少[2]。

图1 固体吸收和发光的三种机制

由此可见，假设原子二能级系统中，处于高能态E2的原子数为N2，处于低能态E1的原子数为N1，作用于此原子系统的光谱能量密度为ρ(ν,T)。单位时间里，处于低能态的每个原子，跃迁至高能态的受激吸收概率R1→2正比于频率为v=(E2-E1)/h的光谱能量密度ρ(ν,T)，B12ρ(ν,T)式中，B12称为受激吸收系数。

处于高能态的原子跃迁至低能态的受激辐射概率B21ρ(ν,T)正比于光谱能量密度ρ(ν,T)；自发辐射跃迁概率（亦称自发辐射系数）为A21，它与入射光的光谱能量密度无关ρ(ν,T)，于是总的辐射概率R2→1为：R2→1=A21+B21ρ(ν,T)式中，B21称为受激辐射系数。

由于在热平衡条件下，只有当辐射体发射的光子数（包括自发辐射和受激辐射）等于吸收的光子数时，才能保持辐射场的能量密度不变，因此:

与此同时，热平衡条件下原子密度按能量的分布应满足玻尔兹曼分布定律：

式中，k为玻尔兹曼常数；g1、g2分别为高、低能级的简并度。在热平衡条件下，N1≫N2，即原子主要出于低能级状态。

由式（1-1）和式（1-2）可求得辐射场能量密度：

根据此结果与黑体辐射的普朗克定律形式完全一致，普朗克公式为：

对比（1）式和（3）式得：

二、光电激发理论与应用

上述公式就是著名的三个爱因斯坦系数A21、B12和B21的关系式。（4）式说明，自发辐射概率与受激辐射概率与受激辐射系数之比正比于，即原子能级差越大，则自发辐射概率也就越大于受激辐射概率。

从上述公式推导可得：

式（7）说明，若hv≫kT，则原子系统在热平衡条件下的自发辐射概率，远大于受激辐射概率，也就是说受激辐射可以忽略不计。当hv≈kT时，受激辐射概率显著增加。若hv≪kT，原子系统在热平衡条件下，受激辐射占主要地位。

爱因斯坦的黑体辐射理论首次预言了受激辐射的存在，明确提出了光子和受激辐射概念，以更清晰的物理图像解释了黑体辐射的规律，爱因斯坦的黑体辐射公式就是激光工作原理的核心[3]。

三、结语

新型太阳能电池材料的研究与开发是目前国内外普遍关注的热点话题，在有利地点接收强烈光照界面的作用下，材料的载流子体吸收光照，能把光电效应转化成为电能并储存在太阳能电池板内。但太阳电池结构中表界的物理化学性能结构比较复杂，其复合光电传输性质受器件与材料性能影响的制约，光伏发电方面的研究能够与太阳能电池结构特性应该有深入的理解与认识，这对促进新型光电材料的结构的兴起与发展非常有利。由于光伏电池实际应用面临着光照与温度和湿度等多方面物理场存且动态变化的问题，结合光电对材料结构与性能演变过程中深入研究光电材料器件有非常大的帮助作用，目前很多科研机构把光界面引入ZnO等纳米材料[4]，这样可以提高光电性能的开发与利用，促进了商业指导价值，另外下一步对纳米材料结构在光伏发电领域的应用与进展，重点是化学材料的掺杂与结晶表面的调控，光生电荷输送行为的管理与应用是目前存在的重点问题，化学掺杂对光伏发电目前存在的机遇与挑战，提高光伏发电的效率与稳定性能对开发光电效应的市场商业价值指明了方向。