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1、固体光学 (Solid State Optics)周忠祥Address: 理学楼208房间Tel: 86414130Email: 1参考书： 1.固体的光学性质，福克斯著，科学出版社， 2009年 2.光学薄膜技术，卢进军，刘卫国 编著，西北工业大 学出版社，2008年05月3.发光学与发光材料，徐叙瑢，苏勉曾主编，化学工 业出版社，2004年4.半导体光谱和光学性质，沈学础著，科学出版社， 2002年5.固体光谱学(Solid State Spectroscopy)，方容川编 著，中国科学大学出版社，2003年教材：固体光学莫党编著 高等教育出版社，1994 2主 要 内 容一、固体宏观光学
2、性质、经典模型、量子模型 二、晶体光学 三、薄膜光学 四、固体发光 3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 睛接受物体发射、反射或散射的光。绪论固体光学是关于光(电)与物质相 互作用的性质、规律、及其应用研究的 学科。4具体内容： 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 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 各种激发态的知识如：介电系数（）、复折射率（n ）、复极化率（ ）、光电导率（ ） .如：激子态、极化激元、声子态、缺陷态 . .5v典型的半导体吸收光谱6固体吸收光谱的主要特征：l基本吸收区：价带（电子）导带，伴随
3、光电导，-105106 cm-1l激子吸收峰：激子态l自由载流子吸收：导带（价带）中的电子（空穴）l声子吸收带：光与晶格振动模式间的作用, l杂质吸收l自旋波量子吸收和回旋共振吸收离子晶体：105cm-1非极性晶体：101-102cm-17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
4、介电常数)之间有怎样的换算关系?也是本章的重要内容 8第一次课：固体宏观光学性质 要点: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 复光学常数 (Complex Optical Constant);色散关系 (Dispersion Relation)9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 ：其中xo与yo分别是在x方向与在y方向上的单位矢量为波 的圆频率，c是光速，N称为复折射率，1.1 光波的宏观描述10实部“叫做折射率(refractive index)，虚
5、部k做消光系数 (extinction coefficient). 有些文献中k被叫作吸收系数亦 有文献采用如下定义：这里K被叫作消光系数或衰减系数。除n和k外，还有另外一些描述光学性质的物理量，如吸 收系数(absorption coefficient)和反射比(reflectance)11其中坡印亭矢量：所以吸收系数：这里是光在自由空间(即真空)中的波长，吸收系数定义为 波传播单位距离后能流通量的变化率，12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(或空气)正入射至固体表面，反射比R满足下式：它是反射通量(或功率)与入射通量(或功率)之比。13从式(1-3)至式(1-
6、5）即可看出，光波解的表达式中只包 含两个物性参量n和k，即是说，描述固体的光学参量可以 有许多个但是独立的光学参量应是两个 当折射率和消光系 数这两个参量知道后 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和来描述物质的光性。从形式 上看波动方程式(1-1)和(1-2)中有三个物性参量，即、和 。但实际上形成两个组合，即 和 。故独立的光性量也 是两个。下面求出和这组光学常数与另一组常数的关系：14由于: 所以：15 光在耗散介质中传播的实验规律 A + R + T = 1 ，能量守恒律 A 吸
7、收率（ Absorptance） R 反射率（Reflectance） T 透射率（Transmittance） I = Io e - d , 固体对光的吸收律I 光强（Intensity）, J/m2.s 吸收系数（Absorption Coefficient）, cm-116 对实验规律的解释，引进一系列复光学 常数复波矢 复介电系数复折射率复极化率 复光电导率它们之间的关系及物理意义17n 复波 矢 平面波波矢方程波的传播方向， 电磁波能量损耗n复介电系数在介质中，Maxwell方程组以及矢量公式：18n 复折射率n 折射率， 消光系数：基本光学常数非铁磁性介质， ：i.对振幅无衰减介质
8、： 均为实数 ii.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量损耗（？） 为复数：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广义 Maxwell 关系式19n 复极化率 固体中（仅考虑线形响应范围内）：有其中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，通过坐标变换可 以过渡到主轴坐标系上，使之对角化20介质中与光场相关的矢量之间的位相关系-0rE 0iEiED=0(1+)E= 0(1+r)E+ i0iEP=0E= 0(r-1)E+ i0iEJ=-iP= 0iE- i0(r-1)E21n复光电导率在平面波照射的固体中，产
9、生极化电流密度也是一个二阶张量则有221.3 介质中的光强(J/m2.s)定义 即（设传播方向为x）吸收系数与消光系数讨论：23对电介质材料： ，则 ， 因此材料是透明的 对金属材料： ，即因此有 随透入固体的距离增加光强按指数衰减，可定义穿透深度：光强穿透深度 振幅穿透深度 24表1.1 电导率为的材料中, 波长为0入射光的光强 穿透深度d1、振幅穿透深度d2以及光学反射率R25 介质中的光功率密度和吸收率定义W：光功率密度(W/m3） ；A：吸收率；d:介质厚度当d很小时因此测量光电导率也可以测量吸收系数26名称 表达式 无耗分量 耗能 分量 复波矢 k = kr + iki kr ki 复折射率 n = n i n 复介电系数 = r + ii r i 复极化率 = r + ii r i复光电导率 =r - ii i r 共轭表达式光学常数的分类27
