光谱分析-光吸收概要
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膜干涉），由此可较准确地求得折射率。 如果薄膜中存在吸收，条纹的衬度就会降低或消 失，此时的光谱透射率表示为
T (1 R)2 (1 k 2 / n2 ) /[exp( d ) R2 exp( d )]
d：薄板厚度；R：光谱反射率
(4.12)
在半导体和介质的透射率测量中，一般
k2<<n2，而且exp(2αd)>>R2，因此上式简
d
为吸收系数。吸收系数与消光系数k都表示物质的吸收, 其关系为：
2k 4k / 0 c
吸收系数与频率相关, 随频率的变化关系称为吸收谱
光在吸收媒质中传播的经典描述
光波在吸收媒质中传播的理论基础是麦克 斯韦方程。如只涉及电中性媒质，对于电场强 度矢量E有下面的方程：
其中P表示科希积分主值：
P
0
lim(
a
a
0
a
)
进行部分积分后，可得：
1 ( ) 2
0
' d ln R( ') ln d ' ' d '
复折射率N可表示为：
(4.4)
N n ik
由此得出：
(4.5)
r n k i 2nk / 0
2 2
(4.7)
n：通常意义下的折射率，k：消光系数。
U x U0 exp(it )exp(inx / c)exp(kx / c)
(4.6)
这个表达式可看成表示一个频率为ω/2π的波， 以速度c/n传播，且遭受衰减或吸收。
因为电磁场的能流以玻印廷矢量表示，正比
于电场和磁场矢量振幅的乘积，而两者都有exp(-
ωkx/c)项，因此衰减为exp(-2ωkx/c)，媒质的吸
收系数α为：
2k / c 4 k / 0
遵从朗伯定wenku.baidu.com：
(4.10)
均匀介质对光的吸收额和吸收介质厚度的关系
I () I0 ()e ( ) x
性质等 常用实验方法 基本方法：衍射，根据衍射图像分析结构信息 1.结构分析： 最常用：XRD 布拉格方程： 体性质
表面结构性质？低能电子衍射(LEED) 内部结构性质？高分辨电子显微镜HRTEM 2,显微分析： 形貌、相的分布、晶体缺陷等
低倍：各种光学显微镜
高倍：TEM、SEM、AFM 3.成分分析 X射线荧光分析、原子吸收光谱、X射线光电子能谱分析、电子 探针等 4. 物性测量[常规(室温、块体）、极端条件(小尺寸、高温、高 压、超强磁场等)] 如光学性质:吸收系数——吸收光谱(分光光度计) 光谱分析
弹性散射 非弹性散射 (拉曼)
光发射谱
一、紫外-可见-红外光谱 (1) 基本原理
光照射某一固体，可能被反射、吸收或透过，常用吸收 率A、反射率R和透过率T来表示它们之间的关系：
A R T 1
光在固体中传播，强度发生衰减，遵从指数衰减率，光在 固体中传播d距离后，光强的变化为： 朗伯定律
I I 0e
化为：
T (1 R)2 exp( d )
(4.13)
在上述类型实验中，只能在一些吸收微弱的 材料，即试样的厚度只是1/α的几倍时，才能分 别确定n和k。对于一些吸收性强，光学性质近似
于金属的材料而言，就必须测量偏振光的反射或
测量相当宽波段的光谱反射率来求出n和k。
光垂直入射时，反射波和入射波的振幅比是
Er / Ei r () (n ik 1) /(n ik 1) | r | e
由上式可得：
i
(4.14)
R | Er |2 / | Ei |2 | r |2 [(n 1) 2 k 2 ]/[(n 1) 2 k 2 ] tg 2k /(n2 k 2 1)
荧光—— 发射光谱(荧光光谱仪和瞬态/时间分辨荧光光谱仪) 5、样品制备：物理(PLD、真空镀膜、MBE)、化学(sol-gel、水热
法 等）
光谱分析
电磁辐射与物质相互作用引起光的吸收、反射和散
射，通过研究这些现象的规律从而进行物质分析，称为 光谱分析。
电子 光子
裂片
紫外、可见 红外
光子
光吸收谱 光散射谱
(4.11)
此定律是分光光度法测固体光谱的理论基础。
薄膜干涉测量光学参数(n，k)
2d n n sin i
2 2 2 1 2
2
（式中n2是膜的折射率）
光线入射在平行的透明薄板上时，在薄板内部将
产生多次反射，在一些波长处会出现相长或相消干涉。
如果进行透射光谱测量，就会得到一系列的条纹(薄
固体物理实验方法
固体物理：从宏观上到微观上理解固体的各种物理性质，阐明其 规律性。——重要的基础学科 研究方法：理论+实验 研究对象：金属、无机半导体、无机绝缘体(电介质）、非晶固体、 有机固体、准晶等等 研究内容：结构、晶格动力学、电子态、杂质与缺陷、各种物理
特性（力、热、声、光、电和磁性质）及其耦合、体性质、表面
1/ v2 0 0 i0 /
则这解满足方程式。
(4.3)
这里v=c/N，c是真空中的光速，N是媒质的复折 射率，且N2＝εc＝ εr- iεi， εc是媒质的复价电函数， εr和 εi分别是其实部和虚部。
考虑到自由空间中N＝1， ε＝1，μ＝1，σ＝0，
则媒质中：
c i / 0
2 E E 2 E 0 0 0 2 0 t t
(4.1)
ε0：μ0自由空间的介电常数和磁导率，ε，μ：媒质的相对介电 常数和磁导率。
磁场矢量H可获得类似的方程。
E或H的一个分量的解可以写成
U x U0 exp[i(t x / v)]
如满足条件
(4.2)
测得R、θ
θ：相移
(4.15)
n、k
εr、εi
相移θ的获得：利用Kramers－Kronig关系，由 测量得到的R(ω)推算相移谱θ(ω)。由(4.14)
式，有：
ln r ln | r | i
函数的实部和虚部有一定的互易关系：
2 ln | r ( ') | ( ) P d ' 2 2 0 ' ln R( ') P d ' (4.16) 2 2 0 '
T (1 R)2 (1 k 2 / n2 ) /[exp( d ) R2 exp( d )]
d：薄板厚度；R：光谱反射率
(4.12)
在半导体和介质的透射率测量中，一般
k2<<n2，而且exp(2αd)>>R2，因此上式简
d
为吸收系数。吸收系数与消光系数k都表示物质的吸收, 其关系为：
2k 4k / 0 c
吸收系数与频率相关, 随频率的变化关系称为吸收谱
光在吸收媒质中传播的经典描述
光波在吸收媒质中传播的理论基础是麦克 斯韦方程。如只涉及电中性媒质，对于电场强 度矢量E有下面的方程：
其中P表示科希积分主值：
P
0
lim(
a
a
0
a
)
进行部分积分后，可得：
1 ( ) 2
0
' d ln R( ') ln d ' ' d '
复折射率N可表示为：
(4.4)
N n ik
由此得出：
(4.5)
r n k i 2nk / 0
2 2
(4.7)
n：通常意义下的折射率，k：消光系数。
U x U0 exp(it )exp(inx / c)exp(kx / c)
(4.6)
这个表达式可看成表示一个频率为ω/2π的波， 以速度c/n传播，且遭受衰减或吸收。
因为电磁场的能流以玻印廷矢量表示，正比
于电场和磁场矢量振幅的乘积，而两者都有exp(-
ωkx/c)项，因此衰减为exp(-2ωkx/c)，媒质的吸
收系数α为：
2k / c 4 k / 0
遵从朗伯定wenku.baidu.com：
(4.10)
均匀介质对光的吸收额和吸收介质厚度的关系
I () I0 ()e ( ) x
性质等 常用实验方法 基本方法：衍射，根据衍射图像分析结构信息 1.结构分析： 最常用：XRD 布拉格方程： 体性质
表面结构性质？低能电子衍射(LEED) 内部结构性质？高分辨电子显微镜HRTEM 2,显微分析： 形貌、相的分布、晶体缺陷等
低倍：各种光学显微镜
高倍：TEM、SEM、AFM 3.成分分析 X射线荧光分析、原子吸收光谱、X射线光电子能谱分析、电子 探针等 4. 物性测量[常规(室温、块体）、极端条件(小尺寸、高温、高 压、超强磁场等)] 如光学性质:吸收系数——吸收光谱(分光光度计) 光谱分析
弹性散射 非弹性散射 (拉曼)
光发射谱
一、紫外-可见-红外光谱 (1) 基本原理
光照射某一固体，可能被反射、吸收或透过，常用吸收 率A、反射率R和透过率T来表示它们之间的关系：
A R T 1
光在固体中传播，强度发生衰减，遵从指数衰减率，光在 固体中传播d距离后，光强的变化为： 朗伯定律
I I 0e
化为：
T (1 R)2 exp( d )
(4.13)
在上述类型实验中，只能在一些吸收微弱的 材料，即试样的厚度只是1/α的几倍时，才能分 别确定n和k。对于一些吸收性强，光学性质近似
于金属的材料而言，就必须测量偏振光的反射或
测量相当宽波段的光谱反射率来求出n和k。
光垂直入射时，反射波和入射波的振幅比是
Er / Ei r () (n ik 1) /(n ik 1) | r | e
由上式可得：
i
(4.14)
R | Er |2 / | Ei |2 | r |2 [(n 1) 2 k 2 ]/[(n 1) 2 k 2 ] tg 2k /(n2 k 2 1)
荧光—— 发射光谱(荧光光谱仪和瞬态/时间分辨荧光光谱仪) 5、样品制备：物理(PLD、真空镀膜、MBE)、化学(sol-gel、水热
法 等）
光谱分析
电磁辐射与物质相互作用引起光的吸收、反射和散
射，通过研究这些现象的规律从而进行物质分析，称为 光谱分析。
电子 光子
裂片
紫外、可见 红外
光子
光吸收谱 光散射谱
(4.11)
此定律是分光光度法测固体光谱的理论基础。
薄膜干涉测量光学参数(n，k)
2d n n sin i
2 2 2 1 2
2
（式中n2是膜的折射率）
光线入射在平行的透明薄板上时，在薄板内部将
产生多次反射，在一些波长处会出现相长或相消干涉。
如果进行透射光谱测量，就会得到一系列的条纹(薄
固体物理实验方法
固体物理：从宏观上到微观上理解固体的各种物理性质，阐明其 规律性。——重要的基础学科 研究方法：理论+实验 研究对象：金属、无机半导体、无机绝缘体(电介质）、非晶固体、 有机固体、准晶等等 研究内容：结构、晶格动力学、电子态、杂质与缺陷、各种物理
特性（力、热、声、光、电和磁性质）及其耦合、体性质、表面
1/ v2 0 0 i0 /
则这解满足方程式。
(4.3)
这里v=c/N，c是真空中的光速，N是媒质的复折 射率，且N2＝εc＝ εr- iεi， εc是媒质的复价电函数， εr和 εi分别是其实部和虚部。
考虑到自由空间中N＝1， ε＝1，μ＝1，σ＝0，
则媒质中：
c i / 0
2 E E 2 E 0 0 0 2 0 t t
(4.1)
ε0：μ0自由空间的介电常数和磁导率，ε，μ：媒质的相对介电 常数和磁导率。
磁场矢量H可获得类似的方程。
E或H的一个分量的解可以写成
U x U0 exp[i(t x / v)]
如满足条件
(4.2)
测得R、θ
θ：相移
(4.15)
n、k
εr、εi
相移θ的获得：利用Kramers－Kronig关系，由 测量得到的R(ω)推算相移谱θ(ω)。由(4.14)
式，有：
ln r ln | r | i
函数的实部和虚部有一定的互易关系：
2 ln | r ( ') | ( ) P d ' 2 2 0 ' ln R( ') P d ' (4.16) 2 2 0 '