1、1固體光學與光譜學固體光學與光譜學 (Solid State Optics & Spectroscopy)廖廖 源源中國科技大學物理系中國科技大學物理系 Address: 物理樓物理樓303303房間房間 Tel: 3607142 Email: 2參考書：參考書：1.1.半導體光學半導體光學（Semiconductor optics, Semiconductor optics, Springer-Verlag)Springer-Verlag)，C.F.KlingshirnC.F.Klingshirn，世界圖書，世界圖書出版公司出版公司,1999,1999年年2.2.發光學與發光材料發光

2、學與發光材料，徐敘，徐敘瑢瑢，蘇勉曾主編，蘇勉曾主編，化學工業出版社，化學工業出版社，20042004年年3.3.半導體光譜和光學性質半導體光譜和光學性質，沈學礎著，科學出，沈學礎著，科學出版社，版社，20022002年年教材：教材：固體光譜學固體光譜學(Solid State Spectroscopy)(Solid State Spectroscopy)，方容川編著，中國科學大學出版社，方容川編著，中國科學大學出版社，20032003年年3緒論緒論(Introduction)(Introduction)主主 要要 內內 容容一、研究內容一、研究內容二、光學的發展簡史二、光學的發展簡史三、課程

3、安排三、課程安排4 光是一種重要的自然現象，我們之所光是一種重要的自然現象，我們之所以能看到客觀世界中的景象，是因為眼以能看到客觀世界中的景象，是因為眼睛接受物體發射、反射或散射的光。睛接受物體發射、反射或散射的光。一、研究內容一、研究內容 固體光學與光譜學固體光學與光譜學是是關于光關于光( (電電) )與物質相互作用的性質、規律、及其應與物質相互作用的性質、規律、及其應用用研究的學科。研究的學科。5具體內容：具體內容：引入描述固體光學性質的若干基本引入描述固體光學性質的若干基本參量及其相互間的關系參量及其相互間的關系通過研究光吸收和光發射規律來獲通過研究光吸收和光發射規律來獲得固體中的電子態

4、、能帶結構及其它得固體中的電子態、能帶結構及其它各種激發態的知識各種激發態的知識如：介電系數（如：介電系數（ ）、復折射率（）、復折射率（n ）、）、復極化率（復極化率（ ）、光電導率（）、光電導率（ ）.如：激子態、極化激元、聲子態、缺陷態如：激子態、極化激元、聲子態、缺陷態. . .6v典型的半導體吸收光譜典型的半導體吸收光譜7固體吸收光譜的主要特征：固體吸收光譜的主要特征：l基本吸收區：基本吸收區：價帶（電子）價帶（電子）導帶，伴隨光電導，導帶，伴隨光電導，a-a-105106 cm-1l激子吸收峰：激子吸收峰：激子態激子態l自由載流子吸收：自由載流子吸收：導帶導帶（價帶）中的電子（空穴

5、）（價帶）中的電子（空穴）l聲子吸收帶：聲子吸收帶：光與晶格振動模式間的作用光與晶格振動模式間的作用, , a al雜質吸收雜質吸收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離子晶體：離子晶體：105cm-1非極性晶體：非極性晶體：101-102cm-18著名科學家丁肇中在著名科學家丁肇中在2000.11 2000.11 世界科技大會上題為世界科技大會上題為“探求自然界的基本構造探求自然界的基本構造”的演講，的演講，“回顧世界回顧世界科學和技術的發展，中國有著重要的貢獻：在科學科學和技術的發展，中國有著重要的貢獻：在科學上，光與物質相互作用的研究是最早的物理課題，上，光與物質相

6、互作用的研究是最早的物理課題，公元前四世紀周朝墨子的著作中就有這方面的詳細公元前四世紀周朝墨子的著作中就有這方面的詳細記載記載” ” 。例如，墨子例如，墨子經說下經說下第四十三中：第四十三中： “光至，景光至，景(ying )(ying )亡，若在，盡古（亡，若在，盡古（ku)ku)息。息。B.c.3B.c.3世紀春秋出土絲光瓷器世紀春秋出土絲光瓷器: : 納米貴金屬顆粒鑲納米貴金屬顆粒鑲嵌的瓷器，在陽光下色彩斑斕嵌的瓷器，在陽光下色彩斑斕B.c.2-3B.c.2-3世紀，世紀，Archimede Archimede 利用巨型透鏡會聚太陽利用巨型透鏡會聚太陽光焚燒敵艦的故事光焚燒敵艦的故事二、

7、光學的發展簡史二、光學的發展簡史v萌芽時期：遠古萌芽時期：遠古1515世紀末、世紀末、1616世紀初世紀初9從墨翟開始的兩千多年的漫長歲月構成從墨翟開始的兩千多年的漫長歲月構成了光學發展的萌芽時期，在此期間光學發展了光學發展的萌芽時期，在此期間光學發展比較緩慢。到比較緩慢。到1515世紀末和世紀末和1616世紀初，凹面鏡、世紀初，凹面鏡、凸面鏡、眼鏡、透鏡以及暗箱和幻燈等光學凸面鏡、眼鏡、透鏡以及暗箱和幻燈等光學元件的相繼出現，預示著新的時期即將到來。元件的相繼出現，預示著新的時期即將到來。10v幾何光學時期：幾何光學時期：1616世紀初世紀初1919世紀初世紀初 這一時期可以稱為光學發展史上

8、的轉折點。在這一時期可以稱為光學發展史上的轉折點。在這個時期，建立了光的反射定律和折射定律，奠定這個時期，建立了光的反射定律和折射定律，奠定了幾何光學的基礎。同時為了提高人眼的觀察能力，了幾何光學的基礎。同時為了提高人眼的觀察能力，人們發明了光學儀器，第一架望遠鏡的誕生促進了人們發明了光學儀器，第一架望遠鏡的誕生促進了天文學和航海事業的發展，顯微鏡的發明給生物學天文學和航海事業的發展，顯微鏡的發明給生物學的研究提供了強有力的工具。到的研究提供了強有力的工具。到1717世紀中葉，基本世紀中葉，基本上已經奠定了幾何光學的基礎。上已經奠定了幾何光學的基礎。11 1717世紀下半葉，牛頓和惠更斯等人把

9、光的研究世紀下半葉，牛頓和惠更斯等人把光的研究引向進一步發展的道路。牛頓根據光的直線傳播引向進一步發展的道路。牛頓根據光的直線傳播性質，提出了光是微粒流的理論。惠更斯反對光性質，提出了光是微粒流的理論。惠更斯反對光的微粒說，從聲和光的某些現象的相似性出發，的微粒說，從聲和光的某些現象的相似性出發，認為光是在認為光是在“以太以太”中傳播的波。這一時期中，中傳播的波。這一時期中，在以牛頓為代表的微粒說占統治地位的同時，以在以牛頓為代表的微粒說占統治地位的同時，以惠更斯為代表的波動說也初步提出來了。惠更斯為代表的波動說也初步提出來了。1216651665年年, ,牛頓第一次用三棱鏡觀察到太陽這牛頓第

10、一次用三棱鏡觀察到太陽這個凝聚態物質的光譜個凝聚態物質的光譜, ,他正確地解釋了這是他正確地解釋了這是由于不同光線折射率不同引起的由于不同光線折射率不同引起的, ,即折射率即折射率的的色散關系色散關系，可以說是牛頓開創了光譜學的，可以說是牛頓開創了光譜學的研究。正如著名物理學家斯托列托夫所說，研究。正如著名物理學家斯托列托夫所說，牛頓的偉大實驗開辟了整個光譜學。隨后他牛頓的偉大實驗開辟了整個光譜學。隨后他又研制成世界上第一架反射式天文望遠鏡又研制成世界上第一架反射式天文望遠鏡. . 13v波動光學時期：波動光學時期：1919世紀初世紀初2020世紀初世紀初 到了到了1919世紀初，初步發展起來

11、的波動光學世紀初，初步發展起來的波動光學的體系已經形成。的體系已經形成。18011801年楊氏最先用干涉原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理令人滿意的解釋了白光照射下薄膜顏色的由來并做了著名的由來并做了著名的“楊氏雙縫干涉實驗楊氏雙縫干涉實驗”，還第一次成功的測定了光的波長。還第一次成功的測定了光的波長。18151815年菲年菲涅耳用楊氏干涉原理補充了惠更斯原理，形涅耳用楊氏干涉原理補充了惠更斯原理，形成了人們所熟知的惠更斯成了人們所熟知的惠更斯菲涅耳原理。菲涅耳原理。14 1845 1845年法拉第揭示了光學現象和電磁現象的年法拉第揭示了光學現象和電磁現象的內在聯系。

12、麥克斯韋在內在聯系。麥克斯韋在18651865年的理論研究說明年的理論研究說明光是一種電磁現象。這個理論在光是一種電磁現象。這個理論在18881888年被赫茲年被赫茲的實驗所證實。至此，確立了光的電磁理論。的實驗所證實。至此，確立了光的電磁理論。 1808 1808年馬呂斯偶然發現光在兩種介質界面上年馬呂斯偶然發現光在兩種介質界面上反射時的偏振現象。隨后菲涅耳和阿拉果對光的反射時的偏振現象。隨后菲涅耳和阿拉果對光的偏振現象和偏振光的干涉進行了研究。偏振現象和偏振光的干涉進行了研究。1518591859年本生和基爾霍夫制成了第一臺棱鏡光年本生和基爾霍夫制成了第一臺棱鏡光譜儀。開始了光譜與物質組成

13、的關系，確認各種譜儀。開始了光譜與物質組成的關系，確認各種物質都具有自己的特征譜線，從而開創了物質都具有自己的特征譜線，從而開創了 光譜光譜化學分析化學分析 這一學科領域。由于光譜分析對鑒定這一學科領域。由于光譜分析對鑒定物質化學成份的巨大意義，導致了光譜研究的急物質化學成份的巨大意義，導致了光譜研究的急驟發展和應用。很快地就有人把分光鏡用于天文驟發展和應用。很快地就有人把分光鏡用于天文觀測，立即得到了重大發現，知道天上的物質與觀測，立即得到了重大發現，知道天上的物質與地上一樣，而當時地上沒看到過的氦元素，則是地上一樣，而當時地上沒看到過的氦元素，則是先從太陽光譜中發現的，接著，分光鏡為填滿元

14、先從太陽光譜中發現的，接著，分光鏡為填滿元素周期表的空缺立下了巨大功勞。素周期表的空缺立下了巨大功勞。 16v量子光學時期：量子光學時期：2020世紀初世紀初2020世紀中世紀中 1919世紀末到世紀末到2020世紀初，光學的研究深入到世紀初，光學的研究深入到光的發生、光和物質相互作用的微觀機制中，光的發生、光和物質相互作用的微觀機制中，開始了量子光學時期。開始了量子光學時期。18711871年，瑞利（年，瑞利（Layleigh) Layleigh) 發現物質對光的發現物質對光的 彈性散射，因此叫做瑞利散射彈性散射，因此叫做瑞利散射, , 期間期間MieMie散射，散射， 即顆粒物質的散射問世

15、即顆粒物質的散射問世171919世紀末世紀末2020世紀初，兩個重大的科學發現：世紀初，兩個重大的科學發現： 1895, 1895, 倫琴（倫琴（R Rntgenntgen）: X-Ray, : X-Ray, 氣體放電氣體放電 + BaPt (CN) + BaPt (CN)4 4 熒光熒光 ？18961896年年, ,洛倫茲創立電子論，解釋了發光和物洛倫茲創立電子論，解釋了發光和物 質吸收光的現象，也解釋了光在物質中傳播的質吸收光的現象，也解釋了光在物質中傳播的 各種特點，包括對色散現象的解釋。各種特點，包括對色散現象的解釋。1896, 1896, 貝克勒爾（貝克勒爾（BecquerelBec

16、querel）：）：Radioactive-Ray, Radioactive-Ray, 陽光陽光 + + 鈾鹽晶體（硫酸雙氧鈾鉀）鈾鹽晶體（硫酸雙氧鈾鉀） X-Ray X-Ray ？181905年愛因斯坦年愛因斯坦( (A.Einstein) )發展了普朗克的能量發展了普朗克的能量 子假設，把量子論貫穿到整個輻射和吸收過程中，子假設，把量子論貫穿到整個輻射和吸收過程中， 提出了杰出的光量子理論，圓滿地解釋了光與物質提出了杰出的光量子理論，圓滿地解釋了光與物質 相互作用的量子效應相互作用的量子效應- -光電效應，并被后來的許多光電效應，并被后來的許多 實驗證實實驗證實。19001900年，普朗克

17、提出了輻射的量子論，即各種頻年，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分布的規律，而且解釋了黑體輻射能量按波長分布的規律，而且以以 全新的方式提出了光與物質相互作用的整個問全新的方式提出了光與物質相互作用的整個問題。題。 量子論給整個物理學提供了新的概念，所以量子論給整個物理學提供了新的概念，所以通常通常 把它的誕生視為近代物理學的起點。把它的誕生視為近代物理學的起點。 19在原子光譜大量的實驗事實基礎

18、上在原子光譜大量的實驗事實基礎上, , 玻爾玻爾(N.Bohr)(N.Bohr)在在19131913年提出著名的量子論年提出著名的量子論19221922年，康普頓（年，康普頓（A.H. Compton ）把來自鉬靶）把來自鉬靶的的X射線投射到石墨上以觀測被散射后的射線投射到石墨上以觀測被散射后的X X射線。射線。他發現其中包含有兩種不同頻率的成分，一種他發現其中包含有兩種不同頻率的成分，一種頻率頻率( (或波長或波長) )和原來人射的和原來人射的X X射線的頻率相同，射線的頻率相同，而另一種則比原來入射的而另一種則比原來入射的X X射線的頻率小射線的頻率小, ,即康即康普頓效應普頓效應 192

19、81928年年, ,喇曼喇曼(C.V.Raman)(C.V.Raman)和蘭德斯別爾格和蘭德斯別爾格(Landsberg)(Landsberg)相繼發現了液體相繼發現了液體( (苯苯) )和固體和固體( (石英石英) )對光的非彈性散射對光的非彈性散射, , 早期稱為聯合散射，現在早期稱為聯合散射，現在都稱之為喇曼散射都稱之為喇曼散射. . 迄今，固體散射光譜已經迄今，固體散射光譜已經發展成為一種強有力的表征方法發展成為一種強有力的表征方法20 至此，人們一方面通過光的干涉、衍射和至此，人們一方面通過光的干涉、衍射和偏振等光學現象證實了光的波動性；另一方偏振等光學現象證實了光的波動性；另一方面

20、通過黑體輻射、光電效應和康普頓效應等面通過黑體輻射、光電效應和康普頓效應等又證實了光的量子性又證實了光的量子性粒子性。粒子性。 光的本性光的本性物質（實物和場）的本性物質（實物和場）的本性波波粒二象性粒二象性21v現代光學時期：現代光學時期：2020世紀中世紀中從五十年代開始，固體光學發展到一個活躍從五十年代開始，固體光學發展到一個活躍時期時期. 1954. 1954年年, , 黃昆提出晶格動力學的理論黃昆提出晶格動力學的理論 M.Born,K.Huang(M.Born,K.Huang(黃昆），黃昆），Dynamical Theory of Crystal Lattice, Dynamical

21、 Theory of Crystal Lattice, Oxford University Press, Oxford(1954). Oxford University Press, Oxford(1954). 在處理光波在離子晶體中的傳播時在處理光波在離子晶體中的傳播時, , 在求解麥克斯韋方在求解麥克斯韋方程組和物質方程的過程中，經典地給出了光學常數和色散關系，程組和物質方程的過程中，經典地給出了光學常數和色散關系，預言紅外區的色散起源于入射光子與離子晶體的橫向光學聲子預言紅外區的色散起源于入射光子與離子晶體的橫向光學聲子( (TO) )之間的相互作用之間的相互作用. . 在強耦合極限下在

22、強耦合極限下, , 耦合體系的簡正模耦合體系的簡正模極化激元極化激元(polariton), (polariton), 具有輻射類光子和類聲子的特征，具有輻射類光子和類聲子的特征，這一預言被年代發展起來的激光喇曼散射實驗所證實這一預言被年代發展起來的激光喇曼散射實驗所證實2219601960，Maiman, Maiman, 第一臺紅寶石激光器問世第一臺紅寶石激光器問世7070年代，同步輻射光源年代，同步輻射光源2020世紀末世紀末2121世紀初世紀初“人人沾光人人沾光”：III-V,GaNIII-V,GaN藍色發光二極管藍色發光二極管(LED)&(LED)&激光管激光管(LD)

23、(LD)的突破的突破II-VI,ZnSe, ZnO,II-VI,ZnSe, ZnO,藍色藍色LED & LD LED & LD 問世問世有機固體有機固體LEDLED低維（量子尺寸效應）和無序體系的奇異光學性質低維（量子尺寸效應）和無序體系的奇異光學性質, ,如多孔硅的發光如多孔硅的發光光纖通信光纖通信生命物質的光現象生命物質的光現象23v章節順序：章節順序：1-21-2章，章，8-98-9章，章，3-63-6章章; ;v授課方法：多媒體的使用：圖，表，講課提綱；授課方法：多媒體的使用：圖，表，講課提綱； 習題與考試等習題與考試等三、課程安排三、課程安排24第一章第一章 光學常數

24、與色散關系光學常數與色散關系 要點要點: : 復光學常數復光學常數 (Complex Optical Constant);(Complex Optical Constant); 色散關系色散關系 (Dispersion Relation)(Dispersion Relation)25 光在耗散介質中傳播的實驗規律光在耗散介質中傳播的實驗規律 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（TransmittanceTransmitt

25、ance） I = Io e -a a d , , 固體對光的吸收律固體對光的吸收律 I 光強（光強（IntensityIntensity）, , J/m2.s a a 吸收系數（吸收系數（Absorption CoefficientAbsorption Coefficient）, , cm-11.1 1.1 復光學常數復光學常數26rii - -對實驗規律的解釋，引進一系列復光學常數對實驗規律的解釋，引進一系列復光學常數復波矢復波矢 復復介電系數介電系數復折射率復折射率復極化率復極化率 復光電導率復光電導率它們之間的關系及物理意義它們之間的關系及物理意義riirikkiknni rii27r

26、ikkikrikk- - -00( )exp()exp()exp()riE rEik ri tEikri tkr -n復波矢復波矢 平面波平面波波矢方程波矢方程波的傳播方向，電磁波能量損耗波的傳播方向，電磁波能量損耗200k k n復介電系數復介電系數在介質中，在介質中，Maxwell方程組方程組000000k Dk EkEBHk Bk HkHDE - - - -以及矢量公式：以及矢量公式： kkEk k EE k k - - 28n復折射率復折射率n 折射率，折射率， 消光系數：基本光學常數消光系數：基本光學常數,k ( )( )( )nni k非鐵磁性介質，非鐵磁性介質， ：i.i.對振幅

27、無衰減介質：均為實數對振幅無衰減介質：均為實數ii.ii.對振幅有衰減介質：為復數對振幅有衰減介質：為復數 為實數：波的振幅有衰減，波在介質中傳播無能為實數：波的振幅有衰減，波在介質中傳播無能量損耗（量損耗（？） 為復數：為復數：波在介質中傳播時，振幅衰減，能量有損耗波在介質中傳播時，振幅衰減，能量有損耗離子晶體中的剩余輻射現象離子晶體中的剩余輻射現象rii22,2ririccnkknnn -即即廣義廣義 Maxwell 關系式關系式1 22c k k 222222,rirriickkckk - - 29n復極化率復極化率 1rii-1,rrii - - 固體中（僅考慮線形響應范圍內）：固體中

28、（僅考慮線形響應范圍內）：有有其中其中極化光與物質相互作用耗散機制的經典理解極化光與物質相互作用耗散機制的經典理解000,DEEPPE 而是二階張量，有六個獨立分量，通過坐標變換可而是二階張量，有六個獨立分量，通過坐標變換可以過渡到主軸坐標系上，使之對角化以過渡到主軸坐標系上，使之對角化111122223333000000DEDEDE 30介質中與光場相關的矢量之間的位相關系介質中與光場相關的矢量之間的位相關系-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復光電導率