固體光學(xué)與光譜學(xué)

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

2、學(xué)與發(fā)光材料，徐敘，徐敘瑢瑢，蘇勉曾主編，蘇勉曾主編，化學(xué)工業(yè)出版社，化學(xué)工業(yè)出版社，20042004年年3.3.半導(dǎo)體光譜和光學(xué)性質(zhì)半導(dǎo)體光譜和光學(xué)性質(zhì)，沈?qū)W礎(chǔ)著，科學(xué)出，沈?qū)W礎(chǔ)著，科學(xué)出版社，版社，20022002年年教材：教材：固體光譜學(xué)固體光譜學(xué)(Solid State Spectroscopy)(Solid State Spectroscopy)，方容川編著，中國(guó)科學(xué)大學(xué)出版社，方容川編著，中國(guó)科學(xué)大學(xué)出版社，20032003年年3緒論緒論(Introduction)(Introduction)主主 要要 內(nèi)內(nèi) 容容一、研究?jī)?nèi)容一、研究?jī)?nèi)容二、光學(xué)的發(fā)展簡(jiǎn)史二、光學(xué)的發(fā)展簡(jiǎn)史三、課程

3、安排三、課程安排4 光是一種重要的自然現(xiàn)象，我們之所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?yàn)檠垡阅芸吹娇陀^世界中的景象，是因?yàn)檠劬邮芪矬w發(fā)射、反射或散射的光。睛接受物體發(fā)射、反射或散射的光。一、研究?jī)?nèi)容一、研究?jī)?nèi)容 固體光學(xué)與光譜學(xué)固體光學(xué)與光譜學(xué)是是關(guān)于光關(guān)于光( (電電) )與物質(zhì)相互作用的性質(zhì)、規(guī)律、及其應(yīng)與物質(zhì)相互作用的性質(zhì)、規(guī)律、及其應(yīng)用用研究的學(xué)科。研究的學(xué)科。5具體內(nèi)容：具體內(nèi)容：引入描述固體光學(xué)性質(zhì)的若干基本引入描述固體光學(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)

4、、能帶結(jié)構(gòu)及其它得固體中的電子態(tài)、能帶結(jié)構(gòu)及其它各種激發(fā)態(tài)的知識(shí)各種激發(fā)態(tài)的知識(shí)如：介電系數(shù)（如：介電系數(shù)（ ）、復(fù)折射率（）、復(fù)折射率（n ）、）、復(fù)極化率（復(fù)極化率（ ）、光電導(dǎo)率（）、光電導(dǎo)率（ ）.如：激子態(tài)、極化激元、聲子態(tài)、缺陷態(tài)如：激子態(tài)、極化激元、聲子態(tài)、缺陷態(tài). . .6v典型的半導(dǎo)體吸收光譜典型的半導(dǎo)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(qū)：基本吸收區(qū)：價(jià)帶（電子）價(jià)帶（電子）導(dǎo)帶，伴隨光電導(dǎo)，導(dǎo)帶，伴隨光電導(dǎo)，a-a-105106 cm-1l激子吸收峰：激子吸收峰：激子態(tài)激子態(tài)l自由載流子吸收：自由載流子吸收：導(dǎo)帶導(dǎo)帶（價(jià)帶）中的電子（空穴

5、）（價(jià)帶）中的電子（空穴）l聲子吸收帶：聲子吸收帶：光與晶格振動(dòng)模式間的作用光與晶格振動(dòng)模式間的作用, , a al雜質(zhì)吸收雜質(zhì)吸收l(shuí)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(xué)家丁肇中在著名科學(xué)家丁肇中在2000.11 2000.11 世界科技大會(huì)上題為世界科技大會(huì)上題為“探求自然界的基本構(gòu)造探求自然界的基本構(gòu)造”的演講，的演講，“回顧世界回顧世界科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展，中國(guó)有著重要的貢獻(xiàn)：在科學(xué)科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展，中國(guó)有著重要的貢獻(xiàn)：在科學(xué)上，光與物質(zhì)相互作用的研究是最早的物理課題，上，光與物質(zhì)相

6、互作用的研究是最早的物理課題，公元前四世紀(jì)周朝墨子的著作中就有這方面的詳細(xì)公元前四世紀(jì)周朝墨子的著作中就有這方面的詳細(xì)記載記載” ” 。例如，墨子例如，墨子經(jīng)說(shuō)下經(jīng)說(shuō)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(jì)春秋出土絲光瓷器世紀(jì)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(yáng)光下色彩斑斕嵌的瓷器，在陽(yáng)光下色彩斑斕B.c.2-3B.c.2-3世紀(jì)，世紀(jì)，Archimede Archimede 利用巨型透鏡會(huì)聚太陽(yáng)利用巨型透鏡會(huì)聚太陽(yáng)光焚燒敵艦的故事光焚燒敵艦的故事二、

7、光學(xué)的發(fā)展簡(jiǎn)史二、光學(xué)的發(fā)展簡(jiǎn)史v萌芽時(shí)期：遠(yuǎn)古萌芽時(shí)期：遠(yuǎn)古1515世紀(jì)末、世紀(jì)末、1616世紀(jì)初世紀(jì)初9從墨翟開(kāi)始的兩千多年的漫長(zhǎng)歲月構(gòu)成從墨翟開(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。到比較緩慢。到1515世紀(jì)末和世紀(jì)末和1616世紀(jì)初，凹面鏡、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)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)。元件的相繼出現(xiàn)，預(yù)示著新的時(shí)期即將到來(lái)。10v幾何光學(xué)時(shí)期：幾何光學(xué)時(shí)期：1616世紀(jì)初世紀(jì)初1919世紀(jì)初世紀(jì)初 這一時(shí)期可以稱為光學(xué)發(fā)展史上

8、的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。在這一時(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，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)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。到的研究提供了強(qiáng)有力的工具。到1717世紀(jì)中葉，基本世紀(jì)中葉，基本上已經(jīng)奠定了幾何光學(xué)的基礎(chǔ)。上已經(jīng)奠定了幾何光學(xué)的基礎(chǔ)。11 1717世紀(jì)下半葉，牛頓和惠更斯等人把

9、光的研究世紀(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)，的微粒說(shuō)，從聲和光的某些現(xiàn)象的相似性出發(fā)，認(rèn)為光是在認(rèn)為光是在“以太以太”中傳播的波。這一時(shí)期中，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?；莞篂榇淼牟▌?dòng)說(shuō)也初步提出來(lái)了。1216651665年年, ,牛頓第一次用三棱鏡觀察到太陽(yáng)這牛頓第

10、一次用三棱鏡觀察到太陽(yáng)這個(gè)凝聚態(tài)物質(zhì)的光譜個(gè)凝聚態(tài)物質(zhì)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(guān)系色散關(guān)系，可以說(shuō)是牛頓開(kāi)創(chuàng)了光譜學(xué)的，可以說(shuō)是牛頓開(kāi)創(chuàng)了光譜學(xué)的研究。正如著名物理學(xué)家斯托列托夫所說(shuō)，研究。正如著名物理學(xué)家斯托列托夫所說(shuō)，牛頓的偉大實(shí)驗(yàn)開(kāi)辟了整個(gè)光譜學(xué)。隨后他牛頓的偉大實(shí)驗(yàn)開(kāi)辟了整個(gè)光譜學(xué)。隨后他又研制成世界上第一架反射式天文望遠(yuǎn)鏡又研制成世界上第一架反射式天文望遠(yuǎn)鏡. . 13v波動(dòng)光學(xué)時(shí)期：波動(dòng)光學(xué)時(shí)期：1919世紀(jì)初世紀(jì)初2020世紀(jì)初世紀(jì)初 到了到了1919世紀(jì)初，初步發(fā)展起來(lái)

11、的波動(dòng)光學(xué)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。的體系已經(jīng)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(lái)并做了著名的由來(lái)并做了著名的“楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)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)。還第一次成功的測(cè)定了光的波長(zhǎng)。18151815年菲年菲涅耳用楊氏干涉原理補(bǔ)充了惠更斯原理，形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(xué)現(xiàn)象和電磁現(xiàn)象的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。

12、麥克斯韋在內(nèi)在聯(lián)系。麥克斯韋在18651865年的理論研究說(shuō)明年的理論研究說(shuō)明光是一種電磁現(xiàn)象。這個(gè)理論在光是一種電磁現(xiàn)象。這個(gè)理論在18881888年被赫茲年被赫茲的實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。至此，確立了光的電磁理論。的實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。至此，確立了光的電磁理論。 1808 1808年馬呂斯偶然發(fā)現(xiàn)光在兩種介質(zhì)界面上年馬呂斯偶然發(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。偏振現(xiàn)象和偏振光的干涉進(jìn)行了研究。1518591859年本生和基爾霍夫制成了第一臺(tái)棱鏡光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

13、的關(guān)系，確認(rèn)各種譜儀。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)了物質(zhì)都具有自己的特征譜線，從而開(kāi)創(chuàng)了 光譜光譜化學(xué)分析化學(xué)分析 這一學(xué)科領(lǐng)域。由于光譜分析對(duì)鑒定這一學(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

14、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。素周期表的空缺立下了巨大功勞。 16v量子光學(xué)時(shí)期：量子光學(xué)時(shí)期：2020世紀(jì)初世紀(jì)初2020世紀(jì)中世紀(jì)中 1919世紀(jì)末到世紀(jì)末到2020世紀(jì)初，光學(xué)的研究深入到世紀(jì)初，光學(xué)的研究深入到光的發(fā)生、光和物質(zhì)相互作用的微觀機(jī)制中，光的發(fā)生、光和物質(zhì)相互作用的微觀機(jī)制中，開(kāi)始了量子光學(xué)時(shí)期。開(kāi)始了量子光學(xué)時(shí)期。18711871年，瑞利（年，瑞利（Layleigh) Layleigh) 發(fā)現(xiàn)物質(zhì)對(duì)光的發(fā)現(xiàn)物質(zhì)對(duì)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(zhì)的散射問(wèn)世

15、即顆粒物質(zhì)的散射問(wèn)世171919世紀(jì)末世紀(jì)末2020世紀(jì)初，兩個(gè)重大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)：世紀(jì)初，兩個(gè)重大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)： 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(chuàng)立電子論，解釋了發(fā)光和物洛倫茲創(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。各種特點(diǎn)，包括對(duì)色散現(xiàn)象的解釋。1896, 1896, 貝克勒爾（貝克勒爾（BecquerelBec

16、querel）：）：Radioactive-Ray, Radioactive-Ray, 陽(yáng)光陽(yáng)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(ài)因斯坦年愛(ài)因斯坦( (A.Einstein) )發(fā)展了普朗克的能量發(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，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)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)相互作用的量子效應(yīng)- -光電效應(yīng)，并被后來(lái)的許多光電效應(yīng)，并被后來(lái)的許多 實(shí)驗(yàn)證實(shí)實(shí)驗(yàn)證實(shí)。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(zhǎng)分布的規(guī)律，而且解釋了黑體輻射能量按波長(zhǎng)分布的規(guī)律，而且以以 全新的方式提出了光與物質(zhì)相互作用的整個(gè)問(wèn)全新的方式提出了光與物質(zhì)相互作用的整個(gè)問(wèn)題。題。 量子論給整個(gè)物理學(xué)提供了新的概念，所以量子論給整個(gè)物理學(xué)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(xué)的起點(diǎn)。把它的誕生視為近代物理學(xué)的起點(diǎn)。 19在原子光譜大量的實(shí)驗(yàn)事實(shí)基礎(chǔ)

18、上在原子光譜大量的實(shí)驗(yàn)事實(shí)基礎(chǔ)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(lái)自鉬靶）把來(lái)自鉬靶的的X射線投射到石墨上以觀測(cè)被散射后的射線投射到石墨上以觀測(cè)被散射后的X X射線。射線。他發(fā)現(xiàn)其中包含有兩種不同頻率的成分，一種他發(fā)現(xiàn)其中包含有兩種不同頻率的成分，一種頻率頻率( (或波長(zhǎng)或波長(zhǎng)) )和原來(lái)人射的和原來(lái)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(lái)入射的而另一種則比原來(lái)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(yīng)普頓效應(yīng) 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(fā)現(xiàn)了液體相繼發(fā)現(xiàn)了液體( (苯苯) )和固體和固體( (石英石英) )對(duì)光的非彈性散射對(duì)光的非彈性散射, , 早期稱為聯(lián)合散射，現(xiàn)在早期稱為聯(lián)合散射，現(xiàn)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(jīng)迄今，固體散射光譜已經(jīng)發(fā)展成為一種強(qiáng)有力的表征方法發(fā)展成為一種強(qiáng)有力的表征方法20 至此，人們一方面通過(guò)光的干涉、衍射和至此，人們一方面通過(guò)光的干涉、衍射和偏振等光學(xué)現(xiàn)象證實(shí)了光的波動(dòng)性；另一方偏振等光學(xué)現(xiàn)象證實(shí)了光的波動(dòng)性；另一方面

20、通過(guò)黑體輻射、光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)等面通過(guò)黑體輻射、光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)等又證實(shí)了光的量子性又證實(shí)了光的量子性粒子性。粒子性。 光的本性光的本性物質(zhì)（實(shí)物和場(chǎng)）的本性物質(zhì)（實(shí)物和場(chǎng)）的本性波波粒二象性粒二象性21v現(xiàn)代光學(xué)時(shí)期：現(xiàn)代光學(xué)時(shí)期：2020世紀(jì)中世紀(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)期時(shí)期. 1954. 1954年年, , 黃昆提出晶格動(dòng)力學(xué)的理論黃昆提出晶格動(dòng)力學(xué)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(shí)在處理光波在離子晶體中的傳播時(shí), , 在求解麥克斯韋方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，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) )之間的相互作用之間的相互作用. . 在強(qiáng)耦合極限下在

22、強(qiáng)耦合極限下, , 耦合體系的簡(jiǎn)正模耦合體系的簡(jiǎn)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(yù)言被年代發(fā)展起來(lái)的激光喇曼散射實(shí)驗(yàn)所證實(shí)這一預(yù)言被年代發(fā)展起來(lái)的激光喇曼散射實(shí)驗(yàn)所證實(shí)2219601960，Maiman, Maiman, 第一臺(tái)紅寶石激光器問(wèn)世第一臺(tái)紅寶石激光器問(wèn)世7070年代，同步輻射光源年代，同步輻射光源2020世紀(jì)末世紀(jì)末2121世紀(jì)初世紀(jì)初“人人沾光人人沾光”：III-V,GaNIII-V,GaN藍(lán)色發(fā)光二極管藍(lán)色發(fā)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(lán)色藍(lán)色LED & LD LED & LD 問(wèn)世問(wèn)世有機(jī)固體有機(jī)固體LEDLED低維（量子尺寸效應(yīng)）和無(wú)序體系的奇異光學(xué)性質(zhì)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)光如多孔硅的發(fā)光光纖通信光纖通信生命物質(zhì)的光現(xiàn)象生命物質(zhì)的光現(xiàn)象23v章節(jié)順序：章節(jié)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(xí)題與考試等習(xí)題與考試等三、課程安排三、課程安排24第一章第一章 光學(xué)常數(shù)

24、與色散關(guān)系光學(xué)常數(shù)與色散關(guān)系 要點(diǎn)要點(diǎn): : 復(fù)光學(xué)常數(shù)復(fù)光學(xué)常數(shù) (Complex Optical Constant);(Complex Optical Constant); 色散關(guān)系色散關(guān)系 (Dispersion Relation)(Dispersion Relation)25 光在耗散介質(zhì)中傳播的實(shí)驗(yàn)規(guī)律光在耗散介質(zhì)中傳播的實(shí)驗(yàn)規(guī)律 A + R + T = 1 ，能量守恒律，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(duì)光的吸收律固體對(duì)光的吸收律 I 光強(qiáng)（光強(qiáng)（IntensityIntensity）, , J/m2.s a a 吸收系數(shù)（吸收系數(shù)（Absorption CoefficientAbsorption Coefficient）, , cm-11.1 1.1 復(fù)光學(xué)常數(shù)復(fù)光學(xué)常數(shù)26rii-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)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)波矢 復(fù)復(fù)介電系數(shù)介電系數(shù)復(fù)折射率復(fù)折射率復(fù)極化率復(fù)極化率 復(fù)光電導(dǎo)率復(fù)光電導(dǎo)率它們之間的關(guān)系及物理意義它們之間的關(guān)系及物理意義rii rikkiknni rii 27ri

26、kkikrikk- - -00( )exp()exp()exp()riE rEik ri tEikri tkr - - - - - n復(fù)波矢復(fù)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(fù)介電系數(shù)復(fù)介電系數(shù)在介質(zhì)中，在介質(zhì)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(fù)折射率復(fù)折射率n 折射率，折射率， 消光系數(shù)：基本光學(xué)常數(shù)消光系數(shù)：基本光學(xué)常數(shù),k ( )( )( )nni k非鐵磁性介質(zhì)，非鐵磁性介質(zhì)，

27、：i.i.對(duì)振幅無(wú)衰減介質(zhì)：均為實(shí)數(shù)對(duì)振幅無(wú)衰減介質(zhì)：均為實(shí)數(shù)ii.ii.對(duì)振幅有衰減介質(zhì)：為復(fù)數(shù)對(duì)振幅有衰減介質(zhì)：為復(fù)數(shù) 為實(shí)數(shù)：波的振幅有衰減，波在介質(zhì)中傳播無(wú)能為實(shí)數(shù)：波的振幅有衰減，波在介質(zhì)中傳播無(wú)能量損耗（量損耗（？） 為復(fù)數(shù)：為復(fù)數(shù)：波在介質(zhì)中傳播時(shí)，振幅衰減，能量有損耗波在介質(zhì)中傳播時(shí)，振幅衰減，能量有損耗離子晶體中的剩余輻射現(xiàn)象離子晶體中的剩余輻射現(xiàn)象rii 22,2ririccnkknnn -即即廣義廣義 Maxwell 關(guān)系式關(guān)系式1 22c k k 222222,rirriickkckk - - 29n復(fù)極化率復(fù)極化率 1rii - - 1,rrii - - 固體中（僅考

28、慮線形響應(yīng)范圍內(nèi)）：固體中（僅考慮線形響應(yīng)范圍內(nèi)）：有有其中其中極化光與物質(zhì)相互作用耗散機(jī)制的經(jīng)典理解極化光與物質(zhì)相互作用耗散機(jī)制的經(jīng)典理解000,DEEPPE 而是二階張量，有六個(gè)獨(dú)立分量，通過(guò)坐標(biāo)變換可而是二階張量，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)角化以過(guò)渡到主軸坐標(biāo)系上，使之對(duì)角化111122223333000000DEDEDE 30介質(zhì)中與光場(chǎng)相關(guān)的矢量之間的位相關(guān)系介質(zhì)中與光場(chǎng)相關(guān)的矢量之間的位相關(guān)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(fù)光電導(dǎo)率復(fù)光