半导体光学2017区域内固体、液体以及气体中极化激元

1、5.3 由 IR至UV区域内固体、液体以及气体中极化激元IR区域内：声子极化激元、磁振子极化激元、等离子极化激元.VIS至近UV区域内：激子极化激元、腔极化激元、等离子极化激元.X 或射线区域内：原子核内的共振跃迁. 气体钠强共振实验极化激元不仅适用于半导体，也适用于描述绝缘体、金属和无序系统（非晶体、液体、和气体）以及核内共振跃迁的光学性质. 5.3.1极化激元的一般光学性质 钠黄双线：589nm 和 589nm，相间2.1 eV，来自于钠蒸汽棱镜：使通过该棱镜光束在竖直方向的偏离近似正比于 或 图(d)表示LPB和UPB.吸收谱密度均匀密度增加拍LPB和UPB极化激元对激发 拍入射光脉冲频

2、率覆盖共振区如图,激发LPB和UPB上成对的群速度相等的极化激元,它们频率略微不同,相对位相随着时间和传播距离的增加而增加,周期地改变相干叠加状态，由相长到相消，这就是众所周知的拍现象. 一些极化激元对到达样品终端相干相长，邻近的另一些极化激元对到达样品终端相干相消，接下来极化激元对相干相长,等等,结果取决于样品的厚度和群速度.因此，样品终端不是出射一简单脉冲，而是振幅和强度随时间 振荡的透射脉冲.振荡周期随着时间增加.下图中钠气体限于40mm范围.因为群速度大的极化激元对先到达样品终端，它们的频率差较大，对应的拍周期较小；而群速度较小的极化激元对后到达样品终端，它们的频率差较小，对于的拍周期

3、较大。透射信号的衰减与共振区的阻尼和入射光脉冲的能量密度有关。该实验也可以用傅立叶变换来解释：入射光脉冲由不同频率成分的平面波相干叠加而成。每个成分的折射率不同，通过样品的位相和振幅都不同。所有成分再相干叠加产生出射脉冲必然是振荡的。下图中量子拍产生于中激子共振.是半导体晶体。穆斯鲍尔核内共振跃迁，能量为14.4keV，频率范围为X 或射线区域。群速度CuCl, GaAs or InSe中激子极化激元的群速度下降至穆斯鲍尔核内共振跃迁，能量14.4keV，极化激元的群速度下降至甚至在钠气体中，某段时间内光不传播。第6章 耦合振子 空间色散非耦合振子系统零耦合 零带宽 耦合振子系统(振子间相互作

4、用较弱)有限耦合 有限带宽 相邻振子同位振动, 耦 合弹簧不伸缩,所以振子具有相同的频率 波长减小,使得耦合弹簧产生伸缩,振子这与非耦合振子情况相同.之间相互作用相当于增大了每个振子的有效弹性系数,从而增大每个振子的振动频率.带宽2B耦合强度.波包波包展宽.空间色散： 对于激子，色散：形式取决于振子的物理本质和耦合机制.光学声子(固体中)称为正常色散(透明区)；称为反常色散(强吸收区). 6.1具有空间色散的介电函数和极化激元态1. 空间色散的介电函数考虑单共振情况下, 介电函数可表示为 同样, 通常,和与的关系对半导体性质产生的修正较小,可忽略,于是介电函数可写成 设 在 条件下, 适用于大

5、质量粒子和有效质量粒子,如激子动能于是介电函数可写成2.色散关系 根据极化激元方程 可得 该方程存在两个解,分别称为极化激元下支LPB，极化激元上支UPB.以下色散关系曲线的横坐标分别表示波矢的实部与虚部，它们与折射率的实部与虚部的关系是(a) LPB: 波矢实部起始于原点，直线部分称为类光子支，斜率为 当 曲线开始弯曲，逐渐成为抛物线, 称为类激子支,无禁带.虚线表示纵极化模,始于 平行于LPB类激子支.UPB: 在波矢实部，起始于 直线部分 也称为类光子支，但斜率为 在波 矢虚部, 存在于 区域,无传播模.区域存在无吸收的LPB和UPB传播模.多模！区域LPB无吸收传播.(b)小阻尼情况

6、在所有频率范围内, LPB和UPB在波矢实部、虚部都存在. 多模！LPB:波矢虚部在 区域很小; 在 区域存在一个“峰”; 逐渐减小.UPB: 波矢虚部在 范围内较大,而在范围内较小. 波矢实部在 范围内存在,但较小. 在 总之,高频区主要是UPB传播,低频区主要是LPB传播.共振区，LPB是衰逝模, UPB在波矢实部为0时,不能传播,其它情况为衰逝模.区域存表示强吸收，或衰减比传播快.在(c)强阻尼情况 在 区域, LPB的波矢虚部很大, 而波矢实部很小. UPB的波矢虚部极小.总之, LPB的波矢虚部比UPB的波矢虚部大. 因此,在所有频率范围内,主要是UPB传播,单模！这意味空间色散不存

7、在. 波矢实部的UPB 与无空间色散的极化激高频区,UPB的波矢虚部极小, 而LPB的波矢虚部不是很小.元色散情况相似. 6.2 反射 透射 附加边界条件ABC1. 反射比较非耦合振子即使 因此禁带也不存在 区域至少存在一个模）. 2. 透射 情况 多模传播：在 区域存在两个传播模.LPB与UPB波长（波矢）和相速 不同（折射率不同）.空间色散: 多模传播源于空间色散, 空间色散与双折射不同：双折射中o光和 e光振动方向垂直,发生在单轴或低对称性晶体中；空间色散中LPB与UPB振动方向相同, 可以发生在低对称性系统,也可以发生在立方对称系统中.弱阻尼情况空间色散主要发生在共振区附近. 当 都是单模传播： 高频区为UPB,低频区为LPB.虽然LPB与UPB强度都是以e指数衰减,但是总强度不是以e指数衰减.接近表面吸收谱区域,强吸收对应强反射.衰减更强.非耦合振子折射率虚部，即吸收谱3. 附加边界条件ABC由麦克斯韦方程导出的边界条件只能用于确定单模传播,而多模传播需要进一步附加条件. ABC设置： 如 表示界面处极化强度光滑变化.或 ABC适用于实验所观察的激子谱. ABC主要用于在共振区附近.6.3 复波矢 复频率平面波