Теория твердого тела - Давыдов А.С.
Скачать (прямая ссылка):
испускаемое излучение имеет естественную ширину.
Мы будем называть люминесценцией избыток вторичного излучения над
температурным, сопровождающий переход квантовой системы из определенного
(реального) квантового состояния, обладающего конечным временем жизни
(превышающим время пролета фотоном квантовой системы), в состояния с
меньшей энергией. Процессы поглощения и люминесценции не зависимы и не
когерентны между собой. Они также не связаны кинематически одновременным
выполнением законов сохранения энергии и импульса. Спектральное
распределение люминесценции обусловлено природой (ширинами и т. д.) и
энергетическим распределением уровней, между которыми происходят
квантовые переходы. Данное Степановым и Апанасевичем [462] определение
люминесценции является частным случаем такого определения.
Вследствие большого показателя преломления при частотах, близких к
резонансу, вторичное излучение испытывает многократное отражение, прежде
чем покинуть кристалл. Из-за эффектов реабсорбции и комбинационного
рассеяния на фононах (весьма вероятного вблизи резонанса) спектральное
распределение вторичного излучения может зависеть от размеров кристалла.
При низких температурах рассеяние в основном сопровождается рождением
фононов, следовательно, интенсивность излучения, соответствующего
бесфононным переходам, уменьшается и увеличивается интенсивность
стоксовых компонент. Эффекты комбинационного рассеяния фотонов
люминесценции внутри кристалла с ростом температуры уменьшаются, так как
при повышении температуры вследствие антистоксового комбинационного
рассеяния возрастает роль обратных переходов поляритонов из состояний с
энергией Е <. Е0 в состояния с энергией Е Z> Е0 вблизи дна экситонной
зоны, характеризующиеся большой плотностью.
К процессам рассеяния (релеевского и комбинационного) следует относить
процессы, при которых возбужденные состояния кристалла выступают только
как виртуальные (даже в условиях резонанса). При релеевском рассеянии
процессы поглощения и излучения когерентно связаны между собой.
Релеевское рассеяние является единым процессом упругого рассеяния фотонов
в кристалле. Следующее из теории возмущений участие в рассеянии
промежуточных (виртуальных) возбужденных состояний кристалла отражает
только факт взаимодействия фотона с кристаллом, а не реальный процесс
перехода в возбужденное состояние. Согласно
580
РАССЕЯНИЕ СВЕТА И ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ
[ГЛ. XIV
теории возмущений волновая функция кристалла, взаимодействующего с
фотоном, представляется в виде суперпозиции волновых функций возбужденных
состояний невозмущенного гамильтониана. Однако эту же функцию можно
разложить и по любой другой полной ортонормированной системе функций,
определенных в том же пространстве независимых переменных. Отдельные
слагаемые в таких суперпозициях не имеют самостоятельного значения.
Спектральное распределение упруго рассеянного излучения соответствует
спектральному распределению фотонов в пучке возбуждающего света. При
комбинационном (рамановском) рассеянии изменяется частота фотона, т. е.
происходит неупругое рассеяние фотона при рождении или поглощении одного
или нескольких элементарных возбуждений кристалла: фононов, поляритонов,
магнонов и т. д. При этом спектральное распределение излучения отличается
от спектрального распределения возбуждающего света, так как оно отражает
особенности реально возбуждаемых в кристалле состояний. При облучении
монохроматическим светом спектральное распределение комбинационного
рассеяния определяется спектральным распределением и ширинами рождаемых
(поглощаемых) в кристалле элементарных возбуждений. При теоретическом
описании упругого рассеяния ширины промежуточных состояний не должны
учитываться.
При теоретическом описании процесса комбинационного рассеяния следует
иметь в виду, что фотоны в кристалле в области его прозрачности являются
квантами поляритонов. При комбинационном рассеянии поляритон, теряя или
приобретая энергию, смещается скачкообразно вдоль полярйтонных ветвей,
характеризующих дисперсию поляритонов (см. рис. 68). Выходящее при этом
из кристалла излучение иногда неудачно называют "люминесценцией из
полярйтонных состояний". В действительности же такое излучение не
обладает общепринятыми свойствами люминесценции. Оно проявляется в
результате комбинационного рассеяния поляритонов внутри кристалла. Время
жизни такого излучения приблизительно совпадает со временем пролета
кристалла фотоном той же частоты.
Как уже отмечалось выше, процесс комбинационного рассеяния может
сопровождать и обычную люминесценцию. Теория этого явления развивалась в
работах Мясникова [466], Мясникова и Фомина [467, 468] и в работах Суми
[469,470] (см. §67.2). Поляритоны с частотой (c)о, близкой к частоте дна
экситонной зоны, перемещаясь внутри кристалла, могут отдавать или
приобретать энергию HQi от фононов колебаний решетки. При низких
температурах преобладает потеря энергии. Поскольку энергия фотонов
