固体光学与光谱学 中科大

1895, 伦琴（Röntgen）: X-Ray, 伦琴（ ntgen ntgen） X气体放电 + BaPt (CN)4 荧光 ？
贝克勒尔（Becquerel）：Radioactive）：Radioactive 1896, 贝克勒尔（Becquerel）：Radi光 + 铀盐晶体（硫酸双氧铀钾） X-Ray ？
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 物理楼303 303房间 Tel: 3607142 Email: liaoyuan@
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教材： 教材：
固体光谱学(Solid Spectroscopy)》 《固体光谱学(Solid State Spectroscopy)》， 方容川编著，中国科学大学出版社，2003年 方容川编著，中国科学大学出版社，2003年 参考书： 参考书： 1.《半导体光学》 1.《半导体光学》（Semiconductor optics, Springer-Verlag)，C.F.Klingshirn， Springer-Verlag)，C.F.Klingshirn，世界图书 出版公司,1999 ,1999年 出版公司,1999年 2.《发光学与发光材料》 徐叙瑢 苏勉曾主编， 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 化学工业出版社，2004年 3.《半导体光谱和光学性质》 沈学础著， 3.《半导体光谱和光学性质》，沈学础著，科学出 版社，2002年 版社，2002年
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1808年马吕斯偶然发现光在两种介质界面上 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。 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。 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 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 1865年的理论研究说明 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 1888年被赫兹 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。 的实验所证实。至此，确立了光的电磁理论。
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波动光学时期：19世纪初~20 波动光学时期：19世纪初 20世纪初 世纪初 20世纪初
到了19世纪初， 到了19世纪初，初步发展起来的波动光学 19世纪初 的体系已经形成。1801年杨氏最先用干涉原 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” 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 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， 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 菲涅耳原理。 成了人们所熟知的惠更斯 菲涅耳原理。
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量子光学时期：20世纪初~20 量子光学时期：20世纪初 20世纪中 世纪初 20世纪中
19世纪末到20世纪初， 19世纪末到20世纪初，光学的研究深入到 世纪末到20世纪初 光的发生、光和物质相互作用的微观机制中， 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。 开始了量子光学时期。 1871年 瑞利（ 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， 弹性散射，因此叫做瑞利散射, 期间Mie散射， Mie散射 即颗粒物质的散射问世
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1859年本生和基尔霍夫制成了第一台棱镜光 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， 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" 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。 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， 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。 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， 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， 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， 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。 素周期表的空缺立下了巨大功劳。
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1665年 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, 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, 由于不同光线折射率不同引起的,即折射率 色散关系， 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， 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。 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. 又研制成世界上第一架反射式天文望远镜.
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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， 了光学发展的萌芽时期，在此期间光学发展 比较缓慢。 15世纪末和16世纪初 凹面镜、 世纪末和16世纪初， 比较缓慢。到15世纪末和16世纪初，凹面镜、 凸面镜、眼镜、 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。 元件的相继出现，预示着新的时期即将到来。
如：激子态、极化激元、声子态、缺陷态 激子态、极化激元、声子态、 ... ...
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典型的半导体吸收光谱
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固体吸收光谱的主要特征： 固体吸收光谱的主要特征：
基本吸收区： 基本吸收区：
价带（电子） 导带，伴随光电导， 价带（电子）→导带，伴随光电导，α−105~106 cm-1
激子吸收峰： 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） 自由载流子吸收：导带（价带）中的电子（空穴） 声子吸收带： 声子吸收带：
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具体内容： 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
复折射率（ 如：介电系数（ε）、复折射率（n ）、 介电系数（ ）、复折射率 复极化率（χ ）、光电导率（σ ） 复极化率（ ）、光电导率（ 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、 得固体中的电子态、能带结构及其它 各种激发态的知识
光与晶格振动模式间的作用, 光与晶格振动模式间的作用, α
离子晶体： 离子晶体：105cm-1 非极性晶体： 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
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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 15世纪末 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 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， “探求自然界的基本构造”的演讲，“…回顾世界 回顾世界 科学和技术的发展，中国有着重要的贡献： 科学和技术的发展，中国有着重要的贡献：在科学 光与物质相互作用的研究是最早的物理课题， 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： 记载” 。例如，墨子《经说下》第四十三中： 光至， )亡 若在，尽古（ku)息 “光至，景(ying )亡，若在，尽古（ku)息。 B.c.3世纪春秋出土丝光瓷器: 世纪春秋出土丝光瓷器 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， 嵌的瓷器，在阳光下色彩斑斓 B.c.2- 世纪， 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
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1900年 普朗克提出了辐射的量子论， 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， 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。 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 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 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 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。 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 年爱因斯坦( 年爱因斯坦 ) 子假设，把量子论贯穿到整个辐射和吸收过程中， 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， 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， 相互作用的量子效应-光电效应，并被后来的许多 实验证实。
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几何光学时期：16世纪初~19 几何光学时期：16世纪初 19世纪初 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。 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， 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， 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， 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， 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。 17世纪中叶 世纪中叶， 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。 上已经奠定了几何光学的基础。
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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， 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， 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。 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) 固体光学与光谱学》 关于光( 与物质相互作用的性质、规律、 与物质相互作用的性质、规律、及其应 研究的学科。 用研究的学科。
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17世纪下半叶， 17世纪下半叶，牛顿和惠更斯等人把光的研究 世纪下半叶 引向进一步发展的道路。 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。 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， 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， 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， 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。 惠更斯为代表的波动说也初步提出来了。
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1896年 洛伦兹创立电子论， 1896年,洛伦兹创立电子论，解释了发光和物 质吸收光的现象， 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。 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： 19世纪末20世纪初，两个重大的科学发现： 世纪末20世纪初
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在原子光谱大量的实验事实基础上, 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 (N.Bohr)在1913年提出著名的量子论 1922年 康普顿（ 1922年，康普顿（A.H. Compton ）把来自钼靶 射线投射到石墨上以观测被散射后的X 的X射线投射到石墨上以观测被散射后的X射线。 射线投射到石墨上以观测被散射后的 射线。 他发现其中包含有两种不同频率的成分， 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， 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, 而另一种则比原来入射的X射线的频率小,即康 普顿效应 1928年 喇曼(C.V.Raman) (C.V.Raman)和兰德斯别尔格 1928年,喇曼(C.V.Raman)和兰德斯别尔格 (Landsberg)相继发现了液体 相继发现了液体( 和固体(石英) (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， 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， 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