固体光学

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1859年本生和基尔霍夫制成了第一台棱镜光 谱仪。开始了光谱与物质组成的关系，确认各种 物质都具有自己的特征谱线，从而开创了"光谱 化学分析"这一学科领域。由于光谱分析对鉴定 物质化学成份的巨大意义，导致了光谱研究的急 骤发展和应用。很快地就有人把分光镜用于天文 观测，立即得到了重大发现，知道天上的物质与 地上一样，而当时地上没看到过的氦元素，则是 先从太阳光谱中发现的，接着，分光镜为填满元 素周期表的空缺立下了巨大功劳。
有
其中
- 1 r i i
15
量子光学时期：20世纪初~20世纪中
19世纪末到20世纪初，光学的研究深入到 光的发生、光和物质相互作用的微观机制中， 开始了量子光学时期。
1871年，瑞利（Layleigh) 发现物质对光的
弹性散射，因此叫做瑞利散射, 期间Mie散射， 即颗粒物质的散射问世
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1896年,洛伦兹创立电子论，解释了发光和物
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 k r ik i
r i i
n n i
r ii
复极化率
X-Ray ？
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1900年，普朗克提出了辐射的量子论，即各种频
率的电磁波，包括光，只能以各自确定的能量从 振子射出，这种能量微粒称为量子。量子论不仅 解释了黑体辐射能量按波长分布的规律，而且以 全新的方式提出了光与物质相互作用的整个问题。 量子论给整个物理学提供了新的概念，所以通常 把它的诞生视为近代物理学的起点。 1905年爱因斯坦(A.Einstein)发展了普朗克的能量 子假设，把量子论贯穿到整个辐射和吸收过程中， 提出了杰出的光量子理论，圆满地解释了光与物质 相互作用的量子效应-光电效应，并被后来的许多 实验证实。
如多孔硅的发光 • 光纤通信 • 生命物质的光现象
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三、课程安排
章节顺序：1-2章，8-9章，3-6章;
授课方法：多媒体的使用：图，表，讲课提纲；
习题与考试等
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第一章 光学常数与色散关系
要点:
复光学常数 (Complex Optical Constant); 色散关系 (Dispersion Relation)
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在原子光谱大量的实验事实基础上, 玻尔
(N.Bohr)在1913年提出著名的量子论
1922年，康普顿（A.H. Compton ）把来自钼靶
的X射线投射到石墨上以观测被散射后的X射线。 他发现其中包含有两种不同频率的成分，一种 频率(或波长)和原来人射的X射线的频率相同， 而另一种则比原来入射的X射线的频率小,即康 普顿效应
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二、光学的发展简史
萌芽时期：远古~15世纪末、16世纪初



著名科学家丁肇中在2000.11 世界科技大会上题为 “探求自然界的基本构造”的演讲，“…回顾世界 科学和技术的发展，中国有着重要的贡献：在科学 上，光与物质相互作用的研究是最早的物理课题， 公元前四世纪周朝墨子的著作中就有这方面的详细 记载” 。例如，墨子《经说下》第四十三中： “光至，景(ying )亡，若在，尽古（ku)息。 B.c.3世纪春秋出土丝光瓷器: 纳米贵金属颗粒镶 嵌的瓷器，在阳光下色彩斑斓 B.c.2-3世纪，Archimede 利用巨型透镜会聚太阳 光焚烧敌舰的故事
i.对振幅无衰减介质： ,k 均为实数
c k k
2 2
波在介质中传播时，振幅衰减，能量有损耗
c
2

kr
2
- ki
2

r,
2
c
2

kr ki

2
i
复折射率

n -
2 2
n ( ) n ( ) i ( )
c ki
到了19世纪初，初步发展起来的波动光学 的体系已经形成。1801年杨氏最先用干涉原 理令人满意的解释了白光照射下薄膜颜色的 由来并做了著名的“杨氏双缝干涉实验”， 还第一次成功的测定了光的波长。1815年菲 涅耳用杨氏干涉原理补充了惠更斯原理，形 成了人们所熟知的惠更斯—菲涅耳原理。
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1808年马吕斯偶然发现光在两种介质界面上 反射时的偏振现象。随后菲涅耳和阿拉果对光的 偏振现象和偏振光的干涉进行了研究。 1845年法拉第揭示了光学现象和电磁现象的 内在联系。麦克斯韦在1865年的理论研究说明 光是一种电磁现象。这个理论在1888年被赫兹 的实验所证实。至此，确立了光的电磁理论。
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绪论 (Introduction)
主 要 内 容
一、研究内容 二、光学的发展简史 三、课程安排
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一、研究内容
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。 《固体光学与光谱学》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。
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17世纪下半叶，牛顿和惠更斯等人把光的研究 引向进一步发展的道路。牛顿根据光的直线传播 性质，提出了光是微粒流的理论。惠更斯反对光 的微粒说，从声和光的某些现象的相似性出发， 认为光是在“以太”中传播的波。这一时期中， 在以牛顿为代表的微粒说占统治地位的同时，以 惠更斯为代表的波动说也初步提出来了。
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来自百度文库 现代光学时期：20世纪中~
从五十年代开始，固体光学发展到一个活跃
时期. 1954年, 黄昆提出晶格动力学的理论
M.Born,K.Huang(黄昆），Dynamical Theory of Crystal Lattice, Oxford University Press, Oxford(1954).
c n kr , r,

广义 Maxwell 关系式
即 n
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2 n i
n — 折射率， — 消光系数：基本光学常数
复极化率
极化－光与物质相互作用耗散机制的经典理解 固体中（仅考虑线形响应范围内）：
E E P , D 0 0 E P 0
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1665年,牛顿第一次用三棱镜观察到太阳这
个凝聚态物质的光谱,他正确地解释了这是 由于不同光线折射率不同引起的,即折射率 的色散关系，可以说是牛顿开创了光谱学的 研究。正如著名物理学家斯托列托夫所说， 牛顿的伟大实验开辟了整个光谱学。随后他 又研制成世界上第一架反射式天文望远镜.
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波动光学时期：19世纪初~20世纪初
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 k r ik i
E ( r ) E 0 exp ( ik r - i t ) E 0 exp ( ik r r - i t ) exp ( - k i r )
质吸收光的现象，也解释了光在物质中传播的 各种特点，包括对色散现象的解释。
19世纪末20世纪初，两个重大的科学发现：
1895, 伦琴（Röntgen）: X-Ray,
气体放电 + BaPt (CN)4
荧光 ？
1896, 贝克勒尔（Becquerel）：Radioactive-Ray,
阳光 + 铀盐晶体（硫酸双氧铀钾）
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1960，Maiman, 第一台红宝石激光器问世 70年代，同步辐射光源

20世纪末21世纪初“人人沾光”：
• III-V,GaN蓝色发光二极管(LED)&激光管(LD)的突破
• II-VI,ZnSe, ZnO,蓝色LED & LD 问世
• 有机固体LED • 低维（量子尺寸效应）和无序体系的奇异光学性质,
在处理光波在离子晶体中的传播时, 在求解麦克斯韦方 程组和物质方程的过程中，经典地给出了光学常数和色散关系， 预言红外区的色散起源于入射光子与离子晶体的横向光学声子 (TO)之间的相互作用. 在强耦合极限下, 耦合体系的简正模 －极化激元(polariton), 具有辐射类光子和类声子的特征， 这一预言被６０年代发展起来的激光喇曼散射实验所证实．
固体光学与光谱学
(Solid State Optics & Spectroscopy) 廖 源
中国科技大学物理系
Address: 物理楼303房间 Tel: 3607142 Email: liaoyuan@ustc.edu.cn
1
教材：
《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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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
非极性晶体：101-102cm-1
杂质吸收 自旋波量子吸收和回旋共振吸收
1928年,喇曼(C.V.Raman)和兰德斯别尔格
(Landsberg)相继发现了液体(苯)和固体(石英) 对光的非弹性散射, 早期称为联合散射，现在 都称之为喇曼散射. 迄今，固体散射光谱已经 发展成为一种强有力的表征方法
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至此，人们一方面通过光的干涉、衍射和 偏振等光学现象证实了光的波动性；另一方 面通过黑体辐射、光电效应和康普顿效应等 又证实了光的量子性——粒子性。 光的本性—物质（实物和场）的本性—波 粒二象性
k r - 波的传播方向，
k i - 电磁波能量损耗
复介电系数
在介质中，Maxwell方程组
k D 0 k E 0 k B 0 k H 0 k E B 0 H k H - D - 0 E
参考书： 1.《半导体光学》（Semiconductor optics, Springer-Verlag)，C.F.Klingshirn，世界图书 出版公司,1999年 2.《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 3.《半导体光谱和光学性质》，沈学础著，科学出 版社，2002年
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从墨翟开始的两千多年的漫长岁月构成 了光学发展的萌芽时期，在此期间光学发展 比较缓慢。到15世纪末和16世纪初，凹面镜、 凸面镜、眼镜、透镜以及暗箱和幻灯等光学 元件的相继出现，预示着新的时期即将到来。
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几何光学时期：16世纪初~19世纪初
这一时期可以称为光学发展史上的转折点。在 这个时期，建立了光的反射定律和折射定律，奠定 了几何光学的基础。同时为了提高人眼的观察能力， 人们发明了光学仪器，第一架望远镜的诞生促进了 天文学和航海事业的发展，显微镜的发明给生物学 的研究提供了强有力的工具。到17世纪中叶，基本 上已经奠定了几何光学的基础。
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1.1 复光学常数

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
以及矢量公式： 波矢方程
k kE


k k E - E k k




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0 0 k k
2
非铁磁性介质， 1 ：
ii.对振幅有衰减介质： k 为复数 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