固体光学第1讲

2002年
5.《固体光谱学(Solid State Spectroscopy)》，方容川编 著，中国科学大学出版社，2003年
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主要内容
一、固体宏观光学性质、经典模型、
量子模型
二、晶体光学 三、薄膜光学 四、固体发光
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绪论
光是一种重要的自然现象，我们之所 以能看到客观世界中的景象，是因为眼 睛接受物体发射、反射或散射的光。 《固体光学》是关于光(电)与物质相互 作用的性质、规律、及其应用研究的学 科。
a — 吸收系数（Absorption Coefficient）, cm-1
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对实验规律的解释，引进一系列复光学常数
复波矢 复介电系数 复折射率
k kr iki
r i i
n n i
r i i
复极化率
复光电导率
r - i i
它们之间的关系及物理意义
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复波矢
平面波
k kr iki
E ( r ) E0 exp( ik r - i t ) E0 exp( ikr r - i t )exp( - ki r )
kr - 波的传播方向， ki - 电磁波能量损耗
复介电系数
在介质中，Maxwell方程组
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当光入射到两种介质的交界面时，出现光的反射现象。若光 是从真空(或空气)正入射至固体表面，反射比R满足下式：
ห้องสมุดไป่ตู้
它是反射通量(或功率)与入射通量(或功率)之比。
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从式(1-3)至式(1-5）即可看出，光波解的表达式中只包 含两个物性参量 n和k，即是说，描述固体的光学参量可以 有许多个但是独立的光学参量应是两个 当折射率和消光系 数这两个参量知道后 固体的光学性质便确定下来了。 1.2 介电常数与电导率、复光学常数 从表面上看，介电常数和电导率是电学量，但光是一种电磁 波，因此可用光频范围内的和来描述物质的光性。从形式 上看．波动方程式(1-1)和(1-2)中有三个物性参量，即、和 。但实际上形成两个组合，即 和 。故独立的光性量也 是两个。 下面求出和这组光学常数与另一组常数的关系：
这里K被叫作消光系数或衰减系数。 除n和k外，还有另外一些描述光学性质的物理量，如吸 收系数(absorption coefficient)和反射比(reflectance)
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这里是光在自由空间(即真空)中的波长，吸收系数a定义为 波传播单位距离后能流通量的变化率，
其中坡印亭矢量： 所以吸收系数：
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固体的基本光学性质可用一些称作光学常数的物理量来加 以描述．不同的固体具有不同的光学性质．例如，无色玻璃对 于可见光是透明的，而金属对可见光既反射又吸收．光从空气 射入不同的固体，常常发生不同程度的折射，这时用折射率来 描述折射程度的强弱．那么，描述固体的基本宏观光学性质有 哪些物理量呢 ? 这些物理量之间常常是有关系的，并不是完全 独立的，各种光学常数 ( 例如折射率与光频介电常数 ) 之间有怎
k D 0 k E 0 k B 0 k H 0 k E B 0 H k H - D - 0 E
以及矢量公式： 波矢方程
k kE k k E - E k k






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20 0 k k
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由于: 所以：
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光在耗散介质中传播的实验规律
A + R + T = 1 ，能量守恒律
A —吸收率（ Absorptance） R — 反射率（Reflectance）
T — 透射率（Transmittance）
I = Io e -a d , 固体对光的吸收律
I — 光强（Intensity）, J/m2.s
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具体内容：
引入描述固体光学性质的若干基本 参量及其相互间的关系
如：介电系数（）、复折射率（n ）、 复极化率（ ）、光电导率（ ） ... ...
通过研究光吸收和光发射规律来获 得固体中的电子态、能带结构及其它 各种激发态的知识
如：激子态、极化激元、声子态、缺陷态 ... ...
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典型的半导体吸收光谱
非铁磁性介质， 1：
2 c 2k k
i.对振幅无衰减介质： , k 均为实数 ii.对振幅有衰减介质： 为复数 k 为实数：波的振幅有衰减，波在介质中传播无能 量损耗（？） －离子晶体中的剩余辐射现象 为复数： r i i
样的换算关系?也是本章的重要内容
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第一次课：固体宏观光学性质
要点:讲述固体光学性质宏观描述，给出固体各种光学常数
之间的关系，介绍固体光学常数
复光学常数 (Complex Optical Constant); 色散关系 (Dispersion Relation)
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1.1 光波的宏观描述
许多固体光学现象可用宏观的电磁理论来加以描述和分析，麦 克斯韦方程组以及电磁波动方程是该理论的基础 。
波动方程的解可表达成简谐平面波之和 ：
其中xo与yo分别是在x方向与在y方向上的单位矢量为波 的圆频率，c是光速，N称为复折射率，
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实部“叫做折射率 (refractive index) ，虚部 k做消光系数 (extinction coefficient). 有些文献中k被叫作吸收系数亦 有文献采用如下定义：
教材：《固体光学》莫党编著 高等教育出版社，1994
参考书： 1.《固体的光学性质》，福克斯著，科学出版社， 2009年 2.《光学薄膜技术》，卢进军，刘卫国 编著，西北工业大 学出版社，2008年05月 3.《发光学与发光材料》，徐叙瑢，苏勉曾主编，化学工 业出版社，2004年 4.《半导体光谱和光学性质》，沈学础著，科学出版社，
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固体吸收光谱的主要特征：
基本吸收区：
价带（电子）导带，伴随光电导，a-105~106 cm-1
激子吸收峰：激子态 自由载流子吸收：导带（价带）中的电子（空穴） 声子吸收带：
光与晶格振动模式间的作用, a
离子晶体：105cm-1
杂质吸收
非极性晶体：101-102cm-1
自旋波量子吸收和回旋共振吸收