固體光學第講

固體光學第講1第1頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四參考書：1.《固體的光學性質(zhì)》，?？怂怪?，科學出版社，2009年2.《光學薄膜技術(shù)》，盧進軍，劉衛(wèi)國編著，西北工業(yè)大學出版社，2008年05月3.《發(fā)光學與發(fā)光材料》，徐敘瑢，蘇勉曾主編，化學工業(yè)出版社，2004年4.《半導體光譜和光學性質(zhì)》，沈?qū)W礎(chǔ)著，科學出版社，2002年5.《固體光譜學(SolidStateSpectroscopy)》，方容川編著，中國科學大學出版社，2003年教材：《固體光學》莫黨編著高等教育出版社，19942第2頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四主要內(nèi)容一、固體宏觀光學性質(zhì)、經(jīng)典模型、量子模型二、晶體光學三、薄膜光學四、固體發(fā)光

3第3頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四光是一種重要的自然現(xiàn)象，我們之所以能看到客觀世界中的景象，是因為眼睛接受物體發(fā)射、反射或散射的光。緒論

《固體光學》是關(guān)于光(電)與物質(zhì)相互作用的性質(zhì)、規(guī)律、及其應用研究的學科。4第4頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四具體內(nèi)容：引入描述固體光學性質(zhì)的若干基本參量及其相互間的關(guān)系通過研究光吸收和光發(fā)射規(guī)律來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)的知識如：介電系數(shù)（）、復折射率（n）、復極化率（

）、光電導率（）...

...如：激子態(tài)、極化激元、聲子態(tài)、缺陷態(tài)......5第5頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四典型的半導體吸收光譜6第6頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四固體吸收光譜的主要特征：基本吸收區(qū)：價帶（電子）導帶，伴隨光電導，a-105~106cm-1激子吸收峰：激子態(tài)自由載流子吸收：導帶（價帶）中的電子（空穴）聲子吸收帶：光與晶格振動模式間的作用,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第7頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四固體的基本光學性質(zhì)可用一些稱作光學常數(shù)的物理量來加以描述．不同的固體具有不同的光學性質(zhì)．例如，無色玻璃對于可見光是透明的，而金屬對可見光既反射又吸收．光從空氣射入不同的固體，常常發(fā)生不同程度的折射，這時用折射率來描述折射程度的強弱．那么，描述固體的基本宏觀光學性質(zhì)有哪些物理量呢?這些物理量之間常常是有關(guān)系的，并不是完全獨立的，各種光學常數(shù)(例如折射率與光頻介電常數(shù))之間有怎樣的換算關(guān)系?也是本章的重要內(nèi)容

8第8頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四第一次課：固體宏觀光學性質(zhì)

要點:講述固體光學性質(zhì)宏觀描述，給出固體各種光學常數(shù)之間的關(guān)系，介紹固體光學常數(shù)

復光學常數(shù)(ComplexOpticalConstant);

色散關(guān)系(DispersionRelation)9第9頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四許多固體光學現(xiàn)象可用宏觀的電磁理論來加以描述和分析，麥克斯韋方程組以及電磁波動方程是該理論的基礎(chǔ)。波動方程的解可表達成簡諧平面波之和：其中xo與yo分別是在x方向與在y方向上的單位矢量為波的圓頻率，c是光速，N稱為復折射率，1.1光波的宏觀描述10第10頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四實部“叫做折射率(refractiveindex)，虛部k做消光系數(shù)(extinctioncoefficient).有些文獻中k被叫作吸收系數(shù)亦有文獻采用如下定義：這里K被叫作消光系數(shù)或衰減系數(shù)。除n和k外，還有另外一些描述光學性質(zhì)的物理量，如吸收系數(shù)(absorptioncoefficient)和反射比(reflectance)11第11頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四其中坡印亭矢量：所以吸收系數(shù)：這里是光在自由空間(即真空)中的波長，吸收系數(shù)定義為波傳播單位距離后能流通量的變化率，12第12頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四當光入射到兩種介質(zhì)的交界面時，出現(xiàn)光的反射現(xiàn)象。若光是從真空(或空氣)正入射至固體表面，反射比R滿足下式：它是反射通量(或功率)與入射通量(或功率)之比。13第13頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四從式(1-3)至式(1-5）即可看出，光波解的表達式中只包含兩個物性參量n和k，即是說，描述固體的光學參量可以有許多個但是獨立的光學參量應是兩個當折射率和消光系數(shù)這兩個參量知道后固體的光學性質(zhì)便確定下來了。1.2介電常數(shù)與電導率、復光學常數(shù)從表面上看，介電常數(shù)和電導率是電學量，但光是一種電磁波，因此可用光頻范圍內(nèi)的和來描述物質(zhì)的光性。從形式上看．波動方程式(1-1)和(1-2)中有三個物性參量，即、和。但實際上形成兩個組合，即和。故獨立的光性量也是兩個。下面求出和這組光學常數(shù)與另一組常數(shù)的關(guān)系：14第14頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四由于:所以：15第15頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四

光在耗散介質(zhì)中傳播的實驗規(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

,固體對光的吸收律

I

—

光強（Intensity）,J/m2.s

—

吸收系數(shù)（AbsorptionCoefficient）,cm-116第16頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四對實驗規(guī)律的解釋，引進一系列復光學常數(shù)復波矢復介電系數(shù)復折射率復極化率

復光電導率它們之間的關(guān)系及物理意義17第17頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四復波矢平面波波矢方程波的傳播方向，電磁波能量損耗復介電系數(shù)在介質(zhì)中，Maxwell方程組以及矢量公式：18第18頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四復折射率n

—

折射率，—

消光系數(shù)：基本光學常數(shù)非鐵磁性介質(zhì)，：i.對振幅無衰減介質(zhì)：均為實數(shù)ii.對振幅有衰減介質(zhì)：為復數(shù)為實數(shù)：波的振幅有衰減，波在介質(zhì)中傳播無能量損耗（？）為復數(shù)：波在介質(zhì)中傳播時，振幅衰減，能量有損耗－離子晶體中的剩余輻射現(xiàn)象廣義Maxwell關(guān)系式19第19頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四復極化率固體中（僅考慮線形響應范圍內(nèi)）：有其中極化－光與物質(zhì)相互作用耗散機制的經(jīng)典理解而是二階張量，有六個獨立分量，通過坐標變換可以過渡到主軸坐標系上，使之對角化20第20頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四介質(zhì)中與光場相關(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)E21第21頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四復光電導率在平面波照射的固體中，產(chǎn)生極化電流密度也是一個二階張量則有22第22頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四1.3介質(zhì)中的光強(J/m2.s)定義即（設(shè)傳播方向為x）吸收系數(shù)與消光系數(shù)討論：23第23頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四對電介質(zhì)材料：，則，因此材料是透明的．對金屬材料：，即

因此有隨透入固體的距離增加光強按指數(shù)衰減，可定義穿透深度：光強穿透深度振幅穿透深度24第24頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四表1.1電導率為的材料中,波長為0入射光的光強穿透深度d1、振幅穿透深度d2以及光學反射率R25第25頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四介質(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d很小時因此測量光電導率也可以測量吸收系數(shù)．26第26頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四名稱表達式 無耗分量耗能分量復波矢

k=kr+iki

kr

ki

復折射率

n=n

＋i

n

復介電系數(shù)

=r+

ii