半導體光學2017區(qū)域內(nèi)固體、液體以及氣體中極化激元

1、5.3 由 IR至UV區(qū)域內(nèi)固體、液體以及氣體中極化激元IR區(qū)域內(nèi)：聲子極化激元、磁振子極化激元、等離子極化激元.VIS至近UV區(qū)域內(nèi)：激子極化激元、腔極化激元、等離子極化激元.X 或射線區(qū)域內(nèi)：原子核內(nèi)的共振躍遷. 氣體鈉強共振實驗極化激元不僅適用于半導體，也適用于描述絕緣體、金屬和無序系統(tǒng)（非晶體、液體、和氣體）以及核內(nèi)共振躍遷的光學性質(zhì). 5.3.1極化激元的一般光學性質(zhì) 鈉黃雙線：589nm 和 589nm，相間2.1 eV，來自于鈉蒸汽棱鏡：使通過該棱鏡光束在豎直方向的偏離近似正比于 或 圖(d)表示LPB和UPB.吸收譜密度均勻密度增加拍LPB和UPB極化激元對激發(fā) 拍入射光脈沖頻

2、率覆蓋共振區(qū)如圖,激發(fā)LPB和UPB上成對的群速度相等的極化激元,它們頻率略微不同,相對位相隨著時間和傳播距離的增加而增加,周期地改變相干疊加狀態(tài)，由相長到相消，這就是眾所周知的拍現(xiàn)象. 一些極化激元對到達樣品終端相干相長，鄰近的另一些極化激元對到達樣品終端相干相消，接下來極化激元對相干相長,等等,結(jié)果取決于樣品的厚度和群速度.因此，樣品終端不是出射一簡單脈沖，而是振幅和強度隨時間 振蕩的透射脈沖.振蕩周期隨著時間增加.下圖中鈉氣體限于40mm范圍.因為群速度大的極化激元對先到達樣品終端，它們的頻率差較大，對應的拍周期較?。欢核俣容^小的極化激元對后到達樣品終端，它們的頻率差較小，對于的拍周期

3、較大。透射信號的衰減與共振區(qū)的阻尼和入射光脈沖的能量密度有關。該實驗也可以用傅立葉變換來解釋：入射光脈沖由不同頻率成分的平面波相干疊加而成。每個成分的折射率不同，通過樣品的位相和振幅都不同。所有成分再相干疊加產(chǎn)生出射脈沖必然是振蕩的。下圖中量子拍產(chǎn)生于中激子共振.是半導體晶體。穆斯鮑爾核內(nèi)共振躍遷，能量為14.4keV，頻率范圍為X 或射線區(qū)域。群速度CuCl, GaAs or InSe中激子極化激元的群速度下降至穆斯鮑爾核內(nèi)共振躍遷，能量14.4keV，極化激元的群速度下降至甚至在鈉氣體中，某段時間內(nèi)光不傳播。第6章 耦合振子 空間色散非耦合振子系統(tǒng)零耦合 零帶寬 耦合振子系統(tǒng)(振子間相互作

4、用較弱)有限耦合 有限帶寬 相鄰振子同位振動, 耦 合彈簧不伸縮,所以振子具有相同的頻率 波長減小,使得耦合彈簧產(chǎn)生伸縮,振子這與非耦合振子情況相同.之間相互作用相當于增大了每個振子的有效彈性系數(shù),從而增大每個振子的振動頻率.帶寬2B耦合強度.波包波包展寬.空間色散： 對于激子，色散：形式取決于振子的物理本質(zhì)和耦合機制.光學聲子(固體中)稱為正常色散(透明區(qū))；稱為反常色散(強吸收區(qū)). 6.1具有空間色散的介電函數(shù)和極化激元態(tài)1. 空間色散的介電函數(shù)考慮單共振情況下, 介電函數(shù)可表示為 同樣, 通常,和與的關系對半導體性質(zhì)產(chǎn)生的修正較小,可忽略,于是介電函數(shù)可寫成 設 在 條件下, 適用于大

5、質(zhì)量粒子和有效質(zhì)量粒子,如激子動能于是介電函數(shù)可寫成2.色散關系 根據(jù)極化激元方程 可得 該方程存在兩個解,分別稱為極化激元下支LPB，極化激元上支UPB.以下色散關系曲線的橫坐標分別表示波矢的實部與虛部，它們與折射率的實部與虛部的關系是(a) LPB: 波矢實部起始于原點，直線部分稱為類光子支，斜率為 當 曲線開始彎曲，逐漸成為拋物線, 稱為類激子支,無禁帶.虛線表示縱極化模,始于 平行于LPB類激子支.UPB: 在波矢實部，起始于 直線部分 也稱為類光子支，但斜率為 在波 矢虛部, 存在于 區(qū)域,無傳播模.區(qū)域存在無吸收的LPB和UPB傳播模.多模！區(qū)域LPB無吸收傳播.(b)小阻尼情況

6、在所有頻率范圍內(nèi), LPB和UPB在波矢實部、虛部都存在. 多模！LPB:波矢虛部在 區(qū)域很小; 在 區(qū)域存在一個“峰”; 逐漸減小.UPB: 波矢虛部在 范圍內(nèi)較大,而在范圍內(nèi)較小. 波矢實部在 范圍內(nèi)存在,但較小. 在 總之,高頻區(qū)主要是UPB傳播,低頻區(qū)主要是LPB傳播.共振區(qū)，LPB是衰逝模, UPB在波矢實部為0時,不能傳播,其它情況為衰逝模.區(qū)域存表示強吸收，或衰減比傳播快.在(c)強阻尼情況 在 區(qū)域, LPB的波矢虛部很大, 而波矢實部很小. UPB的波矢虛部極小.總之, LPB的波矢虛部比UPB的波矢虛部大. 因此,在所有頻率范圍內(nèi),主要是UPB傳播,單模！這意味空間色散不存

7、在. 波矢實部的UPB 與無空間色散的極化激高頻區(qū),UPB的波矢虛部極小, 而LPB的波矢虛部不是很小.元色散情況相似. 6.2 反射 透射 附加邊界條件ABC1. 反射比較非耦合振子即使 因此禁帶也不存在 區(qū)域至少存在一個模）. 2. 透射 情況 多模傳播：在 區(qū)域存在兩個傳播模.LPB與UPB波長（波矢）和相速 不同（折射率不同）.空間色散: 多模傳播源于空間色散, 空間色散與雙折射不同：雙折射中o光和 e光振動方向垂直,發(fā)生在單軸或低對稱性晶體中；空間色散中LPB與UPB振動方向相同, 可以發(fā)生在低對稱性系統(tǒng),也可以發(fā)生在立方對稱系統(tǒng)中.弱阻尼情況空間色散主要發(fā)生在共振區(qū)附近. 當 都是單模傳播： 高頻區(qū)為UPB,低頻區(qū)為LPB.雖然LPB與UPB強度都是以e指數(shù)衰減,但是總強度不是以e指數(shù)衰減.接近表面吸收譜區(qū)域,強吸收對應強反射.衰減更強.非耦合振子折射率虛部，即吸收譜3. 附加邊界條件ABC由麥克斯韋方程導出的邊界條件只能用于確定單模傳播,而多模傳播需要進一步附加條件. ABC設置： 如 表示界面處極化強度光滑變化.或 ABC適用于實驗所觀察的激子譜. ABC主要用于在共振區(qū)附近.6.3 復波矢 復頻率平面波