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1、固体光学第讲1现在学习的是第1页，共27页参考书：参考书：1.1.固体的光学性质，福克斯福克斯著，著，科学出版社科学出版社，2009年年2.光学薄膜技术，卢进军卢进军，刘卫国刘卫国 编著，编著，西北工业大学出版西北工业大学出版社社，2008年年05月月3.3.发光学与发光材料发光学与发光材料，徐叙瑢，苏勉曾主编，化学工业出版社，徐叙瑢，苏勉曾主编，化学工业出版社，20042004年年4.4.半导体光谱和光学性质半导体光谱和光学性质，沈学础著，科学出版社，沈学础著，科学出版社，20022002年年5.5.固体光谱学固体光谱学(Solid State Spectroscopy)，方容川编著，中国，
2、方容川编著，中国科学大学出版社，科学大学出版社，2003年年教材：教材：固体光学固体光学莫党编著莫党编著 高等教育出版社，高等教育出版社，1994 2现在学习的是第2页，共27页主主 要要 内内 容容一、固体宏观光学性质、经典模型、量一、固体宏观光学性质、经典模型、量子模型子模型 二、晶体光学二、晶体光学 三、薄膜光学三、薄膜光学 四、固体发光四、固体发光 3现在学习的是第3页，共27页 光是一种重要的自然现象，我们之所以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，是因为眼睛接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。受物体发射、反射或散射的光。绪论绪论 固
3、体光学固体光学是是关于光关于光(电电)与物质相互与物质相互作用的性质、规律、及其应用作用的性质、规律、及其应用研究的学科。研究的学科。4现在学习的是第4页，共27页具体内容：具体内容：引入描述固体光学性质的若干基本参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量及其相互间的关系通过研究光吸收和光发射规律来获得固通过研究光吸收和光发射规律来获得固体中的电子态、能带结构及其它各种激体中的电子态、能带结构及其它各种激发态的知识发态的知识如：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
4、子态、极化激元、声子态、缺陷态.5现在学习的是第5页，共27页v典型的半导体吸收光谱典型的半导体吸收光谱6现在学习的是第6页，共27页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，-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）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,l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：105c
5、m-1非极性晶体：非极性晶体：101-102cm-17现在学习的是第7页，共27页 固体的基本光学性质可用一些称作光学常数的物理量来加以描述不同的固体具有不同的光学性质例如，无色玻璃对于可见光是透明的，而金属对可见光既反射又吸收光从空气射入不同的固体，常常发生不同程度的折射，这时用折射率来描述折射程度的强弱那么，描述固体的基本宏观光学性质有哪些物理量呢?这些物理量之间常常是有关系的，并不是完全独立的，各种光学常数(例如折射率与光频介电常数)之间有怎样的换算关系?也是本章的重要内容 8现在学习的是第8页，共27页第一次课：第一次课：固体宏观光学性质固体宏观光学性质 要点要点:讲述固体光学性质宏观
6、描述，给出固体各种光学常数之间的关讲述固体光学性质宏观描述，给出固体各种光学常数之间的关系，介绍固体光学常数系，介绍固体光学常数 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 Relation)(Dispersion Relation)9现在学习的是第9页，共27页许多固体光学现象可用宏观的电磁理论来加以描述和分析，麦克斯韦方程组以及电磁波动方程是该理论的基础。波动方程的解可表达成简谐平面波之和波动方程的解可表达成简谐平面波之和：其中其中xo与与yo分别是在分别是在x方
7、向与在方向与在y方向上的单位矢量方向上的单位矢量 为波的圆频率，为波的圆频率，c是光速，是光速，N称为复折射率，称为复折射率，1.1 光波的宏观描述光波的宏观描述10现在学习的是第10页，共27页实实 部部“叫叫 做做 折折 射射 率率(refractive index)，虚虚 部部k做做 消消 光光 系系 数数(extinction coefficient).有有些些文文献献中中k被被叫叫作作吸吸收收系系数数亦亦有有文文献献采用如下定义：采用如下定义：这里这里K被叫作消光系数或衰减系数。被叫作消光系数或衰减系数。除除n和和k外，还有另外一些描述光学性质的物理量，如吸收系数外，还有另外一些描述
8、光学性质的物理量，如吸收系数(absorption coefficient)和反射比和反射比(reflectance)11现在学习的是第11页，共27页其中坡印亭矢量：其中坡印亭矢量：所以吸收系数：所以吸收系数：这里这里 是光在自由空间是光在自由空间(即真空即真空)中的波长，吸收系数中的波长，吸收系数 定义为波传播单定义为波传播单位距离后能流通量的变化率，位距离后能流通量的变化率，12现在学习的是第12页，共27页当光入射到两种介质的交界面时，出现光的反射现象。若光是从当光入射到两种介质的交界面时，出现光的反射现象。若光是从真空真空(或空气或空气)正入射至固体表面，反射比正入射至固体表面，反射
9、比R满足下式：满足下式：它是反射通量它是反射通量(或功率或功率)与入射通量与入射通量(或功率或功率)之比。之比。13现在学习的是第13页，共27页 从从式式(1-3)至至式式(1-5）即即可可看看出出，光光波波解解的的表表达达式式中中只只包包含含两两个个物物性性参参量量n和和k，即即是是说说，描描述述固固体体的的光光学学参参量量可可以以有有许许多多个个但但是是独独立立的的光光学学参参量量应应是是两两个个 当当折折射射率率和和消消光光系系数数这这两两个个参参量量知知道道后后 固体的光学性质便确定下来了。固体的光学性质便确定下来了。1.2 介电常数与电导率、复光学常数介电常数与电导率、复光学常数从
10、表面上看，介电常数和电导率是电学量，但光是一种电磁从表面上看，介电常数和电导率是电学量，但光是一种电磁波，因此可用光频范围内的波，因此可用光频范围内的 和和 来描述物质的光性。从形式上看波来描述物质的光性。从形式上看波动方程式动方程式(1-1)和和(1-2)中有三个物性参量，即中有三个物性参量，即、和和。但实际上形成但实际上形成两个组合，即两个组合，即 和和 。故独立的光性量也是两个。故独立的光性量也是两个。下面求出下面求出 和和 这组光学常数与另一组常数的关系：这组光学常数与另一组常数的关系：14现在学习的是第14页，共27页由于由于:所以：所以：15现在学习的是第15页，共27页 光在耗散
11、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-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 吸收系数（吸收系数（Absorption CoefficientAbsorption Coefficient）,cm-116现在学习的是第16页，共27页对实验规律的解释，引进一系
12、列复光学常数对实验规律的解释，引进一系列复光学常数v复波矢复波矢 v复介电系数复介电系数v复折射率复折射率v复极化率复极化率 v复光电导率复光电导率v它们之间的关系及物理意义它们之间的关系及物理意义17现在学习的是第17页，共27页复波矢复波矢 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方程组方程组以及矢量公式：以及矢量公式：18现在学习的是第18页，共27页复折射率复折射率n 折射率，折射率，消光系数：基本光学常数消光系数：基本光学常数非铁磁性介质，非铁磁性介质，：i.i.对振幅无衰减介质：均为
13、实数对振幅无衰减介质：均为实数ii.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广义 Maxwell 关系式19现在学习的是第19页，共27页复极化率复极化率 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）：有有其中其中极化光与物质相互作用耗散机制的经典理解极化光与物质相互作用耗散机制的经典理解而是二阶张量，有六个独立分量，通过
14、坐标变换可以过渡而是二阶张量，有六个独立分量，通过坐标变换可以过渡到主轴坐标系上，使之对角化到主轴坐标系上，使之对角化20现在学习的是第20页，共27页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)E21现在学习的是第21页，共27页n复光电导率复光电导率在平面波照射的固体中，产生极化电流密度在平面波照射的固体中，产生极化电流密度也是一个二阶张量也是一个二阶张量则有则有22现在学习的是第22页，共27页1.3 1.3 介质中
15、的光强介质中的光强(J/m2.s)定义定义 即即（设传播方向为（设传播方向为x）吸收系数与消光系数吸收系数与消光系数讨论：讨论：23现在学习的是第23页，共27页对电介质材料：，则，对电介质材料：，则，因此材料是透明的因此材料是透明的对金属材料：，即对金属材料：，即因此有因此有随透入固体的距离增加光强按指数衰减，可定义穿透深度：随透入固体的距离增加光强按指数衰减，可定义穿透深度：光强穿透深度光强穿透深度 振幅穿透深度振幅穿透深度24现在学习的是第24页，共27页表表1.1 1.1 电导率为电导率为 的材料中的材料中,波长为波长为 0 0入射光的光强穿透入射光的光强穿透深度深度d1 1、振幅穿透
16、深度、振幅穿透深度d2 2以及光学反射率以及光学反射率R25现在学习的是第25页，共27页介质中的光功率密度和吸收率介质中的光功率密度和吸收率定义定义W：光功率密度：光功率密度(W/m3）；A：吸收率；：吸收率；d:介质厚度介质厚度当当d很小时很小时因此测量光电导率也可以测量吸收系数因此测量光电导率也可以测量吸收系数26现在学习的是第26页，共27页名称表达式名称表达式无耗分量耗能分量无耗分量耗能分量复波矢复波矢 k=kr+iki kr ki 复折射率复折射率 n=n i n 复介电系数复介电系数 =r+i i r i 复极化率复极化率 =r+i i r i复光电导率复光电导率 =r-i i i r 共轭表达式共轭表达式光学常数的分类光学常数的分类27现在学习的是第27页，共27页