光子学物理基础G

1) Atomic oscillators
3) Vibrational oscillators ( for polar molecule
)
2) Free electron oscillators ( for lattice vibration --- infrared region )
Free carrier oscillators
from k, and vice versa.
(2) 金属中自由电子的 Drude model （ p.144-p.150 ）
plasma frequency 等离子体频率
( 1
)
Aluminium
(3) 掺杂半导体（ p.154-p.157）
Contribution to the polarization due to the optical response of the bound electron
(1) 原子的Lorentz oscillator 模型 （ p.29-p.40 ）
Real part： Imaginary part：
n-- refractive index k-- absorption coefficient
Multiple resonances
1 4 1013 Hz
(for semiconductors)
短波端 材料band gap 决定的 fundamental absorption edge
金属材料的反射譜
光与自由电子的相互作用 引起广阔频区的高反射 (低于plasma frequency)
2. 固体的经典偶极振子(dipole oscillator)模型
2 4 1015 Hz
3 1 1017 Hz
考虑到不同频率的跃迁几率的不同，
引入振子强度 oscillator strength f
Experimental data of
SiO2 glass
红外吸收峰对应 SiO2 分子的振动模
包括可见区的广阔的
低吸收（透明）区
紫外区有大的带间吸收 和对应 Si 原子和氧原子 的内壳层电子跃迁的吸 收峰
q -- effective charge
3. 影响固体光学性质的其它物理机制
前面已提到：
原子、分子(离子)的本征跃迁（价电子、内壳层电子）
分子的振动、转动跃迁 晶格振动（声子）跃迁 带间（导带－价带）跃迁 自由电子（载流子）运动
会影响到固体的光学性质。
还有若干更深入的物理机制也会影响到固体的光学性质： 激子（exciton），掺杂（impurity）, 散射（Raman， Brillouin），非线性极化，维度量子受限….
§4．4 固体的光学性质
Marx Fox Optical Properties of Solids
2001, 2010
1. 固体中光学过程的分类
例子
固体材料的吸收譜的测量
若干典型固体材料的透射譜
( glass 材料类似 )
特点: 宽的 Transparency range 红外边的vibrational absorption (phonon or lattice absorption) and free carrier absorption
Experimental data of LiF crystal
The refractive index and the absorption coefficient are not independent parameters but are relatedd to each other.
The Kramers-Kroning relationships allow us to calculate n
影响固体的吸收特性的各种物理机制示意图
参考文献 [1] C.F.Klingshirn
Semiconductor Optics
[2] Jai Singh ed.
Optical Properties of Condensed Matter
[3] Hartmut Haug and Stephan W. Koch Quantum Theory Baidu Nhomakorabeaf the Optical and Electronic Properties of Semiconductors
carrier density
( 1
)
Experiment Reflectivity of n-type InSb at room temperature
(4) TO (transverse optic)声子与光相互作用的经典振子 模型 （ p.206-p.212 ）
TO--TO phonon 的振动频率 --正、负离子的 reduced mass