Absorption und Emission von Licht

Abstract

Nachdem im ersten Kapitel grundlegende Eigenschaften von Atomen, Molekülen, Fest-körpern und Halbleitern behandelt wurden, soll im folgenden die Wechselwirkung von Licht mit Materie dargestellt werden. Spezielle Arten der Wechselwirkung sind die Absorption von Licht aber auch die Emission und die Lichtverstärkung, welche die Grundla-gen des Lasers bilden. 2.1 Absorption Licht wird beim Durchgang durch eine Materialschicht absorbiert. Zur Beschreibung der Absorption wird eine ebene Lichtwelle mit einer Intensität I 0 (in W=m 2) betrachtet, die auf eine Schicht der Dicke d einfällt (Abb. 2.1). Hinter der Schicht hat die Welle eine ge-ringere Intensität als vorher. Die durchtretende Leistungsdichte I D I.d / ist proportional zur eingestrahlten I 0 und hängt exponentiell von der Schichtdicke ab (Beersches Gesetz): I D I 0 exp.˛d / : (2.1) Die für jedes Material charakteristische Größe ˛ (in m 1) wird als Absorptionskonstan-te oder Absorptionskoeffizient bezeichnet. Beispiele für den Koeffizienten sind: ˛ 1 bis 10 km 1 (Glasfaser) und ˛ 1 nm 1 (Metalle). Zur Ableitung des Gesetzes wird in der Schicht eine Koordinate x eingeführt. Es wird angenommen, dass die an einer Stelle x vorhandene Intensität I.x/ um einen Betrag dI vermindert wird, wenn die Lichtwelle sich von x nach x C dx fortbewegt. Die absorbierte Intensität dI ist proportional zur vorhandenen Intensität I.x/ und zu dx. Der Proportio-nalitätsfaktor ˛ ist der bereits eingeführte Absorptionskoeffizient: dI D D˛I.x/dx : (2.2) Die Integration dieser Gleichung mit den Randbedingungen I.0/ D I 0 und I.d / D I ergibt das Beersche Absorptionsgesetz (2.1) (Aufgabe 2.1).