固體光學(xué)與光譜學(xué)課件

固體光學(xué)與光譜學(xué)(SolidStateOptics&Spectroscopy)Address:物理樓303房間Tel:3607142Email:1參考書(shū)：1.《半導(dǎo)體光學(xué)》（Semiconductoroptics,Springer-Verlag)，C.F.Klingshirn，世界圖書(shū)出版公司,1999年2.《發(fā)光學(xué)與發(fā)光材料》，徐敘瑢，蘇勉曾主編，化學(xué)工業(yè)出版社，2004年3.《半導(dǎo)體光譜和光學(xué)性質(zhì)》，沈?qū)W礎(chǔ)著，科學(xué)出版社，2002年教材：《固體光譜學(xué)(SolidStateSpectroscopy)》，方容川編著，中國(guó)科學(xué)大學(xué)出版社，2003年2緒論

(Introduction)主要內(nèi)容一、研究?jī)?nèi)容二、光學(xué)的發(fā)展簡(jiǎn)史三、課程安排3具體內(nèi)容：引入描述固體光學(xué)性質(zhì)的若干基本參量及其相互間的關(guān)系通過(guò)研究光吸收和光發(fā)射規(guī)律來(lái)獲得固體中的電子態(tài)、能帶結(jié)構(gòu)及其它各種激發(fā)態(tài)的知識(shí)如：介電系數(shù)（）、復(fù)折射率（n）、復(fù)極化率（

）、光電導(dǎo)率（）......如：激子態(tài)、極化激元、聲子態(tài)、缺陷態(tài)......5典型的半導(dǎo)體吸收光譜6固體吸收光譜的主要特征：基本吸收區(qū)：價(jià)帶（電子）導(dǎo)帶，伴隨光電導(dǎo)，a-105~106cm-1激子吸收峰：激子態(tài)自由載流子吸收：導(dǎo)帶（價(jià)帶）中的電子（空穴）聲子吸收帶：光與晶格振動(dòng)模式間的作用,a雜質(zhì)吸收自旋波量子吸收和回旋共振吸收離子晶體：105cm-1非極性晶體：101-102cm-17從墨翟開(kāi)始的兩千多年的漫長(zhǎng)歲月構(gòu)成了光學(xué)發(fā)展的萌芽時(shí)期，在此期間光學(xué)發(fā)展比較緩慢。到15世紀(jì)末和16世紀(jì)初，凹面鏡、凸面鏡、眼鏡、透鏡以及暗箱和幻燈等光學(xué)元件的相繼出現(xiàn)，預(yù)示著新的時(shí)期即將到來(lái)。9幾何光學(xué)時(shí)期：16世紀(jì)初~19世紀(jì)初

這一時(shí)期可以稱為光學(xué)發(fā)展史上的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。在這個(gè)時(shí)期，建立了光的反射定律和折射定律，奠定了幾何光學(xué)的基礎(chǔ)。同時(shí)為了提高人眼的觀察能力，人們發(fā)明了光學(xué)儀器，第一架望遠(yuǎn)鏡的誕生促進(jìn)了天文學(xué)和航海事業(yè)的發(fā)展，顯微鏡的發(fā)明給生物學(xué)的研究提供了強(qiáng)有力的工具。到17世紀(jì)中葉，基本上已經(jīng)奠定了幾何光學(xué)的基礎(chǔ)。10

17世紀(jì)下半葉，牛頓和惠更斯等人把光的研究引向進(jìn)一步發(fā)展的道路。牛頓根據(jù)光的直線傳播性質(zhì)，提出了光是微粒流的理論?；莞狗磳?duì)光的微粒說(shuō)，從聲和光的某些現(xiàn)象的相似性出發(fā)，認(rèn)為光是在“以太”中傳播的波。這一時(shí)期中，在以牛頓為代表的微粒說(shuō)占統(tǒng)治地位的同時(shí)，以惠更斯為代表的波動(dòng)說(shuō)也初步提出來(lái)了。11波動(dòng)光學(xué)時(shí)期：19世紀(jì)初~20世紀(jì)初到了19世紀(jì)初，初步發(fā)展起來(lái)的波動(dòng)光學(xué)的體系已經(jīng)形成。1801年楊氏最先用干涉原理令人滿意的解釋了白光照射下薄膜顏色的由來(lái)并做了著名的“楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)”，還第一次成功的測(cè)定了光的波長(zhǎng)。1815年菲涅耳用楊氏干涉原理補(bǔ)充了惠更斯原理，形成了人們所熟知的惠更斯—菲涅耳原理。131845年法拉第揭示了光學(xué)現(xiàn)象和電磁現(xiàn)象的內(nèi)在聯(lián)系。麥克斯韋在1865年的理論研究說(shuō)明光是一種電磁現(xiàn)象。這個(gè)理論在1888年被赫茲的實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。至此，確立了光的電磁理論。1808年馬呂斯偶然發(fā)現(xiàn)光在兩種介質(zhì)界面上反射時(shí)的偏振現(xiàn)象。隨后菲涅耳和阿拉果對(duì)光的偏振現(xiàn)象和偏振光的干涉進(jìn)行了研究。141859年本生和基爾霍夫制成了第一臺(tái)棱鏡光譜儀。開(kāi)始了光譜與物質(zhì)組成的關(guān)系，確認(rèn)各種物質(zhì)都具有自己的特征譜線，從而開(kāi)創(chuàng)了"光譜化學(xué)分析"這一學(xué)科領(lǐng)域。由于光譜分析對(duì)鑒定物質(zhì)化學(xué)成份的巨大意義，導(dǎo)致了光譜研究的急驟發(fā)展和應(yīng)用。很快地就有人把分光鏡用于天文觀測(cè)，立即得到了重大發(fā)現(xiàn)，知道天上的物質(zhì)與地上一樣，而當(dāng)時(shí)地上沒(méi)看到過(guò)的氦元素，則是先從太陽(yáng)光譜中發(fā)現(xiàn)的，接著，分光鏡為填滿元素周期表的空缺立下了巨大功勞。1519世紀(jì)末20世紀(jì)初，兩個(gè)重大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)：

1895,倫琴（R?ntgen）:X-Ray,

氣體放電

+

BaPt(CN)4熒光

？1896年,洛倫茲創(chuàng)立電子論，解釋了發(fā)光和物質(zhì)吸收光的現(xiàn)象，也解釋了光在物質(zhì)中傳播的各種特點(diǎn)，包括對(duì)色散現(xiàn)象的解釋。1896,貝克勒爾（Becquerel）：Radioactive-Ray,陽(yáng)光+鈾鹽晶體（硫酸雙氧鈾鉀）X-Ray？171905年愛(ài)因斯坦(A.Einstein)發(fā)展了普朗克的能量子假設(shè)，把量子論貫穿到整個(gè)輻射和吸收過(guò)程中，提出了杰出的光量子理論，圓滿地解釋了光與物質(zhì)相互作用的量子效應(yīng)-光電效應(yīng)，并被后來(lái)的許多實(shí)驗(yàn)證實(shí)。1900年，普朗克提出了輻射的量子論，即各種頻率的電磁波，包括光，只能以各自確定的能量從振子射出，這種能量微粒稱為量子。量子論不僅解釋了黑體輻射能量按波長(zhǎng)分布的規(guī)律，而且以全新的方式提出了光與物質(zhì)相互作用的整個(gè)問(wèn)題。量子論給整個(gè)物理學(xué)提供了新的概念，所以通常把它的誕生視為近代物理學(xué)的起點(diǎn)。18在原子光譜大量的實(shí)驗(yàn)事實(shí)基礎(chǔ)上,玻爾(N.Bohr)在1913年提出著名的量子論1922年，康普頓（A.H.Compton

）把來(lái)自鉬靶的X射線投射到石墨上以觀測(cè)被散射后的X射線。他發(fā)現(xiàn)其中包含有兩種不同頻率的成分，一種頻率(或波長(zhǎng))和原來(lái)人射的X射線的頻率相同，而另一種則比原來(lái)入射的X射線的頻率小,即康普頓效應(yīng)

1928年,喇曼(C.V.Raman)和蘭德斯別爾格(Landsberg)相繼發(fā)現(xiàn)了液體(苯)和固體(石英)對(duì)光的非彈性散射,早期稱為聯(lián)合散射，現(xiàn)在都稱之為喇曼散射.迄今，固體散射光譜已經(jīng)發(fā)展成為一種強(qiáng)有力的表征方法19現(xiàn)代光學(xué)時(shí)期：20世紀(jì)中~從五十年代開(kāi)始，固體光學(xué)發(fā)展到一個(gè)活躍時(shí)期.1954年,黃昆提出晶格動(dòng)力學(xué)的理論

M.Born,K.Huang(黃昆），DynamicalTheoryofCrystalLattice,OxfordUniversityPress,Oxford(1954).

在處理光波在離子晶體中的傳播時(shí),在求解麥克斯韋方程組和物質(zhì)方程的過(guò)程中，經(jīng)典地給出了光學(xué)常數(shù)和色散關(guān)系，預(yù)言紅外區(qū)的色散起源于入射光子與離子晶體的橫向光學(xué)聲子(TO)之間的相互作用.在強(qiáng)耦合極限下,耦合體系的簡(jiǎn)正模－極化激元(polariton),具有輻射類光子和類聲子的特征，這一預(yù)言被６０年代發(fā)展起來(lái)的激光喇曼散射實(shí)驗(yàn)所證實(shí)．211960，Maiman,第一臺(tái)紅寶石激光器問(wèn)世70年代，同步輻射光源20世紀(jì)末21世紀(jì)初“人人沾光”：III-V,GaN藍(lán)色發(fā)光二極管(LED)&激光管(LD)的突破II-VI,ZnSe,ZnO,藍(lán)色LED&LD問(wèn)世有機(jī)固體LED低維（量子尺寸效應(yīng)）和無(wú)序體系的奇異光學(xué)性質(zhì),如多孔硅的發(fā)光光纖通信生命物質(zhì)的光現(xiàn)象22章節(jié)順序：1-2章，8-9章，3-6章;授課方法：多媒體的使用：圖，表，講課提綱；習(xí)題與考試等三、課程安排23

光在耗散介質(zhì)中傳播的實(shí)驗(yàn)規(guī)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=Ioe-d

,固體對(duì)光的吸收律

I—光強(qiáng)（Intensity）,J/m2.s

—吸收系數(shù)（AbsorptionCoefficient）,cm-11.1復(fù)光學(xué)常數(shù)25對(duì)實(shí)驗(yàn)規(guī)律的解釋，引進(jìn)一系列復(fù)光學(xué)常數(shù)復(fù)波矢復(fù)介電系數(shù)復(fù)折射率復(fù)極化率

復(fù)光電導(dǎo)率它們之間的關(guān)系及物理意義26復(fù)波矢平面波波矢方程波的傳播方向，電磁波能量損耗復(fù)介電系數(shù)在介質(zhì)中，Maxwell方程組以及矢量公式：27復(fù)極化率

固體中（僅考慮線形響應(yīng)范圍內(nèi)）：有其中

極化－光與物質(zhì)相互作用耗散機(jī)制的經(jīng)典理解而是二階張量，有六個(gè)獨(dú)立分量，通過(guò)坐標(biāo)變換可以過(guò)渡到主軸坐標(biāo)系上，使之對(duì)角化29介質(zhì)中與光場(chǎng)相關(guān)的矢量之間的位相關(guān)系-0rE0iEiED=0(1+)E=0(1+r)E+

i0iEP=0E=0(r-1)E+

i0iEJ=-iP=0iE-i0(r-1)E30復(fù)光電導(dǎo)率在平面波照射的固體中，產(chǎn)生極化電流密度也是一個(gè)二階張量則有311.2介質(zhì)中的光強(qiáng)(J/m2.s)定義即（設(shè)傳播方向?yàn)閤）吸收系數(shù)與消光系數(shù)討論：32對(duì)電介質(zhì)材料：，則，因此材料是透明的．對(duì)金屬材料：，即

因此有隨透入固體的距離增加光強(qiáng)按指數(shù)衰減，可定義穿透深度：光強(qiáng)穿透深度振幅穿透深度33表1.1電導(dǎo)率為的材料中,波長(zhǎng)為0入射光的光強(qiáng)穿透深度d1、振幅穿透深度d2以及光學(xué)反射率R34介質(zhì)中的光功率密度和吸收率定義W：光功率密度(W/m3）

；A：吸收率；d:介質(zhì)厚度當(dāng)d很小時(shí)因此測(cè)量光電導(dǎo)率也可以測(cè)量吸收系數(shù)．35名稱表達(dá)式 無(wú)耗分量耗能分量復(fù)波矢

k=kr+iki

kr

ki

復(fù)折射率

n=n＋i