固體光學(xué)第講

固體光學(xué)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(xué)性質(zhì)》，?？怂怪茖W(xué)出版社，2009年2.《光學(xué)薄膜技術(shù)》，盧進(jìn)軍，劉衛(wèi)國編著，西北工業(yè)大學(xué)出版社，2008年05月3.《發(fā)光學(xué)與發(fā)光材料》，徐敘瑢，蘇勉曾主編，化學(xué)工業(yè)出版社，2004年4.《半導(dǎo)體光譜和光學(xué)性質(zhì)》，沈?qū)W礎(chǔ)著，科學(xué)出版社，2002年5.《固體光譜學(xué)(SolidStateSpectroscopy)》，方容川編著，中國科學(xué)大學(xué)出版社，2003年教材：《固體光學(xué)》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(xué)性質(zhì)、經(jīng)典模型、量子模型二、晶體光學(xué)三、薄膜光學(xué)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?yàn)檠劬邮芪矬w發(fā)射、反射或散射的光。緒論

《固體光學(xué)》是關(guān)于光(電)與物質(zhì)相互作用的性質(zhì)、規(guī)律、及其應(yīng)用研究的學(xué)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(xué)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(fù)折射率（n）、復(fù)極化率（

）、光電導(dǎo)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(dǎo)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(jià)帶（電子）導(dǎo)帶，伴隨光電導(dǎo)，a-105~106cm-1激子吸收峰：激子態(tài)自由載流子吸收：導(dǎo)帶（價(jià)帶）中的電子（空穴）聲子吸收帶：光與晶格振動(dòng)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(xué)性質(zhì)可用一些稱作光學(xué)常數(shù)的物理量來加以描述．不同的固體具有不同的光學(xué)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(shí)用折射率來描述折射程度的強(qiáng)弱．那么，描述固體的基本宏觀光學(xué)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(dú)立的，各種光學(xué)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(xué)性質(zhì)

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

復(fù)光學(xué)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(xué)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(dòng)方程是該理論的基礎(chǔ)。波動(dòng)方程的解可表達(dá)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(fù)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(shí)部“叫做折射率(refractiveindex)，虛部k做消光系數(shù)(extinctioncoefficient).有些文獻(xiàn)中k被叫作吸收系數(shù)亦有文獻(xiàn)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(xué)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(dāng)光入射到兩種介質(zhì)的交界面時(shí)，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(dá)式中只包含兩個(gè)物性參量n和k，即是說，描述固體的光學(xué)參量可以有許多個(gè)但是獨(dú)立的光學(xué)參量應(yīng)是兩個(gè)當(dāng)折射率和消光系數(shù)這兩個(gè)參量知道后固體的光學(xué)性質(zhì)便確定下來了。1.2介電常數(shù)與電導(dǎo)率、復(fù)光學(xué)常數(shù)從表面上看，介電常數(shù)和電導(dǎo)率是電學(xué)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(dòng)方程式(1-1)和(1-2)中有三個(gè)物性參量，即、和。但實(shí)際上形成兩個(gè)組合，即和。故獨(dú)立的光性量也是兩個(gè)。下面求出和這組光學(xué)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(shí)驗(yàn)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(qiáng)（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(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)介電系數(shù)復(fù)折射率復(fù)極化率

復(fù)光電導(dǎo)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(fù)波矢平面波波矢方程波的傳播方向，電磁波能量損耗復(fù)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(fù)折射率n

—

折射率，—

消光系數(shù)：基本光學(xué)常數(shù)非鐵磁性介質(zhì)，：i.對振幅無衰減介質(zhì)：均為實(shí)數(shù)ii.對振幅有衰減介質(zhì)：為復(fù)數(shù)為實(shí)數(shù)：波的振幅有衰減，波在介質(zhì)中傳播無能量損耗（？）為復(fù)數(shù)：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)象廣義Maxwell關(guān)系式19第19頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四復(fù)極化率固體中（僅考慮線形響應(yīng)范圍內(nèi)）：有其中極化－光與物質(zhì)相互作用耗散機(jī)制的經(jīng)典理解而是二階張量，有六個(gè)獨(dú)立分量，通過坐標(biāo)變換可以過渡到主軸坐標(biāo)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(fù)光電導(dǎo)率在平面波照射的固體中，產(chǎn)生極化電流密度也是一個(gè)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(qiáng)(J/m2.s)定義即（設(shè)傳播方向?yàn)閤）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(qiáng)按指數(shù)衰減，可定義穿透深度：光強(qiáng)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(dǎo)率為的材料中,波長為0入射光的光強(qiáng)穿透深度d1、振幅穿透深度d2以及光學(xué)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(dāng)d很小時(shí)因此測量光電導(dǎo)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(dá)式 無耗分量耗能分量復(fù)波矢

k=kr+iki

kr

ki

復(fù)折射率

n=n

＋i

n

復(fù)介電系數(shù)

=r+

ii