固体光学与光谱学

1、1固体光学与光谱学固体光学与光谱学 (Solid State Optics & Spectroscopy)廖廖 源源中国科技大学物理系中国科技大学物理系 Address: 物理楼物理楼303303房间房间 Tel: 3607142 Email: 2参考书：参考书：1.1.半导体光学半导体光学（Semiconductor optics, Semiconductor optics, Springer-Verlag)Springer-Verlag)，C.F.KlingshirnC.F.Klingshirn，世界图书，世界图书出版公司出版公司,1999,1999年年2.2.发光学与发光材料发光学与发光

2、材料，徐叙，徐叙瑢瑢，苏勉曾主编，苏勉曾主编，化学工业出版社，化学工业出版社，20042004年年3.3.半导体光谱和光学性质半导体光谱和光学性质，沈学础著，科学出，沈学础著，科学出版社，版社，20022002年年教材：教材：固体光谱学固体光谱学(Solid State Spectroscopy)(Solid State Spectroscopy)，方容川编著，中国科学大学出版社，方容川编著，中国科学大学出版社，20032003年年3绪论绪论(Introduction)(Introduction)主主 要要 内内 容容一、研究内容一、研究内容二、光学的发展简史二、光学的发展简史三、课程安排三、

3、课程安排4 光是一种重要的自然现象，我们之所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。一、研究内容一、研究内容 固体光学与光谱学固体光学与光谱学是是关于光关于光( (电电) )与物质相互作用的性质、规律、及其应与物质相互作用的性质、规律、及其应用用研究的学科。研究的学科。5具体内容：具体内容：引入描述固体光学性质的若干基本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参量及其相互间的关系通过研究光吸收和光发射规律来获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

4、构及其它得固体中的电子态、能带结构及其它各种激发态的知识各种激发态的知识如：介电系数（如：介电系数（ ）、复折射率（）、复折射率（n ）、）、复极化率（复极化率（ ）、光电导率（）、光电导率（ ）.如：激子态、极化激元、声子态、缺陷态如：激子态、极化激元、声子态、缺陷态. . .6v典型的半导体吸收光谱典型的半导体吸收光谱7固体吸收光谱的主要特征：固体吸收光谱的主要特征：l基本吸收区：基本吸收区：价带（电子）价带（电子）导带，伴随光电导，导带，伴随光电导，a-a-105106 cm-1l激子吸收峰：激子吸收峰：激子态激子态l自由载流子吸收：自由载流子吸收：导带导带（价带）中的电子（空穴）（价带

5、）中的电子（空穴）l声子吸收带：声子吸收带：光与晶格振动模式间的作用光与晶格振动模式间的作用, , a al杂质吸收杂质吸收l自旋波量子吸收和回旋共振吸收自旋波量子吸收和回旋共振吸收离子晶体：离子晶体：105cm-1非极性晶体：非极性晶体：101-102cm-18著名科学家丁肇中在著名科学家丁肇中在2000.11 2000.11 世界科技大会上题为世界科技大会上题为“探求自然界的基本构造探求自然界的基本构造”的演讲，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：在科学科学和技术的发展，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，上，光与物质相互作用的

6、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公元前四世纪周朝墨子的著作中就有这方面的详细记载记载” ” 。例如，墨子例如，墨子经说下经说下第四十三中：第四十三中： “光至，景光至，景(ying(ying ) )亡，若在，尽古（亡，若在，尽古（kuku) )息。息。B.c.3B.c.3世纪春秋出土世纪春秋出土丝光瓷器丝光瓷器: : 纳米贵金属颗粒镶纳米贵金属颗粒镶嵌的瓷器，在阳光下色彩斑斓嵌的瓷器，在阳光下色彩斑斓B.c.2-3B.c.2-3世纪，世纪，ArchimedeArchimede 利用巨型透镜会聚太阳利用巨型透镜会聚太阳光焚烧敌舰的故事光焚烧敌舰的故事二、光学的发

7、展简史二、光学的发展简史v萌芽时期：远古萌芽时期：远古1515世纪末、世纪末、1616世纪初世纪初9从墨翟开始的两千多年的漫长岁月构成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，在此期间光学发展了光学发展的萌芽时期，在此期间光学发展比较缓慢。到比较缓慢。到1515世纪末和世纪末和1616世纪初，凹面镜、世纪初，凹面镜、凸面镜、眼镜、透镜以及暗箱和幻灯等光学凸面镜、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。10v几何光学时期：几何光学时期：1616世纪初世纪初1919世纪初世纪初 这一时期可以称为光学发展史上的转折点

8、。在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，第一架望远镜的诞生促进了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。到的研究提供了强有力的工具。到1717世纪中叶，基本世纪中叶，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。11 1717世纪下半叶，牛顿和惠更斯等人把光的研究

9、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，认为光是在认为光是在“以太以太”中传播的波。这一时期中，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。1216651665年年, ,牛顿第一次用三棱镜观察到太阳这牛顿第一次用三

10、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, ,即折射率即折射率的的色散关系色散关系，可以说是牛顿开创了光谱学的，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。随后他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. . 13v波动光学时期：波动光学时期：1919世纪初世纪初2020世纪初世纪初 到了到了1919世纪初，初步发展起来的波动光

11、学世纪初，初步发展起来的波动光学的体系已经形成。的体系已经形成。18011801年杨氏最先用干涉原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由来并做了著名的“杨氏双缝干涉实验杨氏双缝干涉实验”，还第一次成功的测定了光的波长。还第一次成功的测定了光的波长。18151815年菲年菲涅耳用杨氏干涉原理补充了惠更斯原理，形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成了人们所熟知的惠更斯菲涅耳原理。菲涅耳原理。14 1845 1845年法拉第揭示了光学现象和电磁现象的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

12、在内在联系。麦克斯韦在18651865年的理论研究说明年的理论研究说明光是一种电磁现象。这个理论在光是一种电磁现象。这个理论在18881888年被赫兹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。 1808 1808年马吕斯偶然发现光在两种介质界面上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。1518591859年本生和基尔霍夫制成了第一台棱镜光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，

13、确认各种谱仪。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 光谱光谱化学分析化学分析 这一学科领域。由于光谱分析对鉴定这一学科领域。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，分光镜为填满元先从太阳

14、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。 16v量子光学时期：量子光学时期：2020世纪初世纪初2020世纪中世纪中 1919世纪末到世纪末到2020世纪初，光学的研究深入到世纪初，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，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。18711871年，瑞利（年，瑞利（LayleighLayleigh) ) 发现物质对光的发现物质对光的 弹性散射，因此叫做瑞利散射弹性散射，因此叫做瑞利散射, , 期间期间MieMie散射，散射， 即颗粒物质的散射问世即颗粒物

15、质的散射问世171919世纪末世纪末2020世纪初，两个重大的科学发现：世纪初，两个重大的科学发现： 1895, 1895, 伦琴（伦琴（R Rntgenntgen）: X-Ray, : X-Ray, 气体放电气体放电 + + BaPt BaPt (CN) (CN)4 4 荧光荧光 ？18961896年年, ,洛伦兹创立电子论，解释了发光和物洛伦兹创立电子论，解释了发光和物 质吸收光的现象，也解释了光在物质中传播的质吸收光的现象，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。1896, 1896, 贝克勒尔（贝克勒尔（BecquerelBecquer

16、el）：）：Radioactive-Ray, Radioactive-Ray, 阳光阳光 + + 铀盐晶体（硫酸双氧铀钾）铀盐晶体（硫酸双氧铀钾） X-Ray X-Ray ？181905年爱因斯坦年爱因斯坦( (A.Einstein) )发展了普朗克的能量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，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相互作用的量子效应- -光电效应，并被后来的许多光电效应，并被后来的许多 实验证实实验证实。19001900年，普朗克提出了辐

17、射的量子论，即各种频年，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，而且解释了黑体辐射能量按波长分布的规律，而且以以 全新的方式提出了光与物质相互作用的整个问全新的方式提出了光与物质相互作用的整个问题。题。 量子论给整个物理学提供了新的概念，所以量子论给整个物理学提供了新的概念，所以通常通常 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。 19在原子光谱大量的实验事实基础上在原子

18、光谱大量的实验事实基础上, , 玻尔玻尔(N.Bohr)(N.Bohr)在在19131913年提出著名的量子论年提出著名的量子论19221922年，康普顿（年，康普顿（A.H. Compton ）把来自钼靶）把来自钼靶的的X射线投射到石墨上以观测被散射后的射线投射到石墨上以观测被散射后的X X射线。射线。他发现其中包含有两种不同频率的成分，一种他发现其中包含有两种不同频率的成分，一种频率频率( (或波长或波长) )和原来人射的和原来人射的X X射线的频率相同，射线的频率相同，而另一种则比原来入射的而另一种则比原来入射的X X射线的频率小射线的频率小, ,即康即康普顿效应普顿效应 1928192

19、8年年, ,喇曼喇曼(C.V.Raman)(C.V.Raman)和兰德斯别尔格和兰德斯别尔格(Landsberg(Landsberg) )相继发现了液体相继发现了液体( (苯苯) )和固体和固体( (石英石英) )对光的非弹性散射对光的非弹性散射, , 早期称为联合散射，现在早期称为联合散射，现在都称之为喇曼散射都称之为喇曼散射. . 迄今，固体散射光谱已经迄今，固体散射光谱已经发展成为一种强有力的表征方法发展成为一种强有力的表征方法20 至此，人们一方面通过光的干涉、衍射和至此，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；另一方偏振等光学现象证实了光的波动性；另一方面通过黑

20、体辐射、光电效应和康普顿效应等面通过黑体辐射、光电效应和康普顿效应等又证实了光的量子性又证实了光的量子性粒子性。粒子性。 光的本性光的本性物质（实物和场）的本性物质（实物和场）的本性波波粒二象性粒二象性21v现代光学时期：现代光学时期：2020世纪中世纪中从五十年代开始，固体光学发展到一个活跃从五十年代开始，固体光学发展到一个活跃时期时期. . 19541954年年, , 黄昆提出晶格动力学的理论黄昆提出晶格动力学的理论 M.Born,K.Huang(M.Born,K.Huang(黄昆），黄昆），Dynamical Theory of Crystal Lattice, Dynamical Th

21、eory of Crystal Lattice, Oxford University Press, Oxford(1954). Oxford University Press, Oxford(1954). 在处理光波在离子晶体中的传播时在处理光波在离子晶体中的传播时, , 在求解麦克斯韦方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，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) )之间的相互作用之间的相互作用. . 在强耦合极限下在强耦合

22、极限下, , 耦合体系的简正模耦合体系的简正模极化激元极化激元(polariton(polariton), ), 具有辐射类光子和类声子的特征，具有辐射类光子和类声子的特征，这一预言被年代发展起来的激光喇曼散射实验所证实这一预言被年代发展起来的激光喇曼散射实验所证实2219601960，MaimanMaiman, , 第一台红宝石激光器问世第一台红宝石激光器问世7070年代，同步辐射光源年代，同步辐射光源2020世纪末世纪末2121世纪初世纪初“人人沾光人人沾光”：III-V,GaNIII-V,GaN蓝色发光二极管蓝色发光二极管(LED)&(LED)&激光管激光管(LD)(LD)的突破的突破I

23、I-VI,ZnSe, ZnOII-VI,ZnSe, ZnO, ,蓝色蓝色LED & LD LED & LD 问世问世有机固体有机固体LEDLED低维（量子尺寸效应）和无序体系的奇异光学性质低维（量子尺寸效应）和无序体系的奇异光学性质, ,如多孔硅的发光如多孔硅的发光光纤通信光纤通信生命物质的光现象生命物质的光现象23v章节顺序：章节顺序：1-21-2章，章，8-98-9章，章，3-63-6章章; ;v授课方法：多媒体的使用：图，表，讲课提纲；授课方法：多媒体的使用：图，表，讲课提纲； 习题与考试等习题与考试等三、课程安排三、课程安排24第一章第一章 光学常数与色散关系光学常数与色散关系 要点要

24、点: : 复光学常数复光学常数 (Complex Optical Constant);(Complex Optical Constant); 色散关系色散关系 ( (Dispersion RelationDispersion Relation) )25 光在耗散介质中传播的实验规律光在耗散介质中传播的实验规律 A + R + T = 1 ，能量守恒律，能量守恒律 A 吸收率（吸收率（ AbsorptanceAbsorptance） R 反射率（反射率（ReflectanceReflectance） T 透射率（透射率（TransmittanceTransmittance） I = Io e -

25、a a d , , 固体对光的吸收律固体对光的吸收律 I 光强（光强（IntensityIntensity）, , J/m2.s a a 吸收系数（吸收系数（Absorption CoefficientAbsorption Coefficient）, , cm-11.1 1.1 复光学常数复光学常数26rii-对实验规律的解释，引进一系列复光学常数对实验规律的解释，引进一系列复光学常数复波矢复波矢 复介电系数复介电系数复折射率复折射率复极化率复极化率 复光电导率复光电导率它们之间的关系及物理意义它们之间的关系及物理意义riirikkiknni rii27rikkikrikk-00( )exp(

26、)exp()exp()riE rEik ri tEikri tkr -n复波矢复波矢 平面波平面波波矢方程波矢方程波的传播方向，电磁波能量损耗波的传播方向，电磁波能量损耗200k k n复介电系数复介电系数在介质中，在介质中，Maxwell方程组方程组000000k Dk EkEBHk Bk HkHDE - - - -以及矢量公式：以及矢量公式： kkEk k EE k k- 28n复折射率复折射率n 折射率，折射率， 消光系数：基本光学常数消光系数：基本光学常数,k ( )( )( )nni k非铁磁性介质，非铁磁性介质， ：i.i.对振幅无衰减介质：均为实数对振幅无衰减介质：均为实数ii.

27、ii.对振幅有衰减介质：为复数对振幅有衰减介质：为复数 为实数：波的振幅有衰减，波在介质中传播无能为实数：波的振幅有衰减，波在介质中传播无能量损耗（量损耗（？） 为复数：为复数：波在介质中传播时，振幅衰减，能量有损耗波在介质中传播时，振幅衰减，能量有损耗离子晶体中的剩余辐射现象离子晶体中的剩余辐射现象rii22,2ririccnkknnn -即即广义广义 Maxwell 关系式关系式1 22c k k 222222,rirriickkckk -29n复极化率复极化率 1rii-1,rrii - - 固体中（仅考虑线形响应范围内）：固体中（仅考虑线形响应范围内）：有有其中其中极化极化光与物质相互作用耗散机制的经典理解光与物质相互作用耗散机制的经典理解000,DEEPPE 而是二阶张量，有六个独立分量，通过坐标变换可而是二阶张量，有六个独立分量，通过坐标变换可以过渡到主轴坐标系上，使之对角化以过渡到主轴坐标系上，使之对角化111122223333000000DEDEDE 30介质中与光场相关的矢量之间的位相关系介质中与光场相关的矢量之间的位相关系-0 rE0 iEiED= 0(1+ )E= 0(1+ r)E+ i 0 iEP= 0 E= 0( r-1)E+ i 0 iEJ=-i P= 0iE- i 0 ( r-1)E31n复光电