1、1,參考書： 1.半導體光學（Semiconductor optics, Springer-Verlag)，C.F.Klingshirn，世界圖書出版公司,1999年 2.發(fā)光學與發(fā)光材料，徐敘瑢，蘇勉曾主編，化學工業(yè)出版社，2004年 3.半導體光譜和光學性質，沈學礎著，科學出版社，2002年,教材： 固體光譜學(Solid State Spectroscopy)，方容川編著，中國科學大學出版社，2003年,2,緒論(Introduction),主 要 內(nèi) 容,一、研究內(nèi)容 二、光學的發(fā)展簡史 三、課程安排,3,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，是因為眼睛接受物體發(fā)射

2、、反射或散射的光。,一、研究內(nèi)容,固體光學與光譜學是關于光(電)與物質相互作用的性質、規(guī)律、及其應用研究的學科。,4,具體內(nèi)容：,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,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)、能帶結構及其它各種激發(fā)態(tài)的知識,如：介電系數(shù)（）、復折射率（n ）、 復極化率（ ）、光電導率（ ）.,如：激子態(tài)、極化激元、聲子態(tài)、缺陷態(tài). .,5,典型的半導體吸收光譜,6,固體吸收光譜的主要特征：,基本吸收區(qū)： 價帶（電子）導帶，伴隨光電導，a-105106 cm-1 激子吸收峰：激子態(tài) 自由載流子吸收：導帶（價帶）中的電子（空穴） 聲子吸收帶： 光與晶格振動模

3、式間的作用, a 雜質吸收 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-1,7,著名科學家丁肇中在2000.11 世界科技大會上題為“探求自然界的基本構造”的演講，“回顧世界科學和技術的發(fā)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，公元前四世紀周朝墨子的著作中就有這方面的詳細記載” 。例如，墨子經(jīng)說下第四十三中： “光至，景(ying )亡，若在，盡古（ku)息。 B.c.3世紀春秋出土絲光瓷器: 納米貴金屬顆粒鑲嵌的瓷器，在陽光下色彩斑斕 B.c.2-3世紀，Archimede 利用巨型透鏡會聚太陽光焚燒敵艦的故事,二

4、、光學的發(fā)展簡史,萌芽時期：遠古15世紀末、16世紀初,8,從墨翟開始的兩千多年的漫長歲月構成 了光學發(fā)展的萌芽時期，在此期間光學發(fā)展 比較緩慢。到15世紀末和16世紀初，凹面鏡、 凸面鏡、眼鏡、透鏡以及暗箱和幻燈等光學 元件的相繼出現(xiàn)，預示著新的時期即將到來。,9,幾何光學時期：16世紀初19世紀初 這一時期可以稱為光學發(fā)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，奠定了幾何光學的基礎。同時為了提高人眼的觀察能力，人們發(fā)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(yè)的發(fā)展，顯微鏡的發(fā)明給生物學的研究提供了強有力的工具。到17世紀中葉，基本上已經(jīng)奠定了幾何光學的基礎。,1

5、0,17世紀下半葉，牛頓和惠更斯等人把光的研究引向進一步發(fā)展的道路。牛頓根據(jù)光的直線傳播性質，提出了光是微粒流的理論?；莞狗磳獾奈⒘Ｕf，從聲和光的某些現(xiàn)象的相似性出發(fā)，認為光是在“以太”中傳播的波。這一時期中，在以牛頓為代表的微粒說占統(tǒng)治地位的同時，以惠更斯為代表的波動說也初步提出來了。,11,1665年,牛頓第一次用三棱鏡觀察到太陽這個凝聚態(tài)物質的光譜,他正確地解釋了這是由于不同光線折射率不同引起的,即折射率的色散關系，可以說是牛頓開創(chuàng)了光譜學的研究。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。隨后他又研制成世界上第一架反射式天文望遠鏡.,12,波動光學時期：19世紀

6、初20世紀初 到了19世紀初，初步發(fā)展起來的波動光學的體系已經(jīng)形成。1801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由來并做了著名的“楊氏雙縫干涉實驗”，還第一次成功的測定了光的波長。1815年菲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菲涅耳原理。,13,1845年法拉第揭示了光學現(xiàn)象和電磁現(xiàn)象的內(nèi)在聯(lián)系。麥克斯韋在1865年的理論研究說明光是一種電磁現(xiàn)象。這個理論在1888年被赫茲的實驗所證實。至此，確立了光的電磁理論。,1808年馬呂斯偶然發(fā)現(xiàn)光在兩種介質界面上反射時的偏振現(xiàn)象。隨后菲涅耳和阿拉果對光的偏振現(xiàn)象和偏振光的干涉進行了研究。,14,1859年

7、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的關系，確認各種物質都具有自己的特征譜線，從而開創(chuàng)了光譜化學分析這一學科領域。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驟發(fā)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(fā)現(xiàn)，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，則是先從太陽光譜中發(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。,15,量子光學時期：20世紀初20世紀中 19世紀末到20世紀初，光學的研究深入到光的發(fā)生、光和物質相互作用的微觀機制中，開始了量子光學時期。,1871年，瑞利（Layleigh) 發(fā)現(xiàn)物質對光的 彈性散

8、射，因此叫做瑞利散射, 期間Mie散射， 即顆粒物質的散射問世,16,1896年,洛倫茲創(chuàng)立電子論，解釋了發(fā)光和物 質吸收光的現(xiàn)象，也解釋了光在物質中傳播的 各種特點，包括對色散現(xiàn)象的解釋。,17,1905年愛因斯坦(A.Einstein)發(fā)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， 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-光電效應，并被后來的許多 實驗證實。,1900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 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(guī)律，而且以 全新的方式

9、提出了光與物質相互作用的整個問題。 量子論給整個物理學提供了新的概念，所以通常 把它的誕生視為近代物理學的起點。,18,在原子光譜大量的實驗事實基礎上, 玻爾(N.Bohr)在1913年提出著名的量子論 1922年，康普頓（A.H. Compton ）把來自鉬靶的X射線投射到石墨上以觀測被散射后的X射線。他發(fā)現(xiàn)其中包含有兩種不同頻率的成分，一種頻率(或波長)和原來人射的X射線的頻率相同，而另一種則比原來入射的X射線的頻率小,即康普頓效應 1928年,喇曼(C.V.Raman)和蘭德斯別爾格(Landsberg)相繼發(fā)現(xiàn)了液體(苯)和固體(石英)對光的非彈性散射, 早期稱為聯(lián)合散射，現(xiàn)在都稱之為

10、喇曼散射. 迄今，固體散射光譜已經(jīng)發(fā)展成為一種強有力的表征方法,19,至此，人們一方面通過光的干涉、衍射和偏振等光學現(xiàn)象證實了光的波動性；另一方面通過黑體輻射、光電效應和康普頓效應等又證實了光的量子性粒子性。 光的本性物質（實物和場）的本性波粒二象性,20,現(xiàn)代光學時期：20世紀中,從五十年代開始，固體光學發(fā)展到一個活躍時期. 1954年, 黃昆提出晶格動力學的理論 M.Born,K.Huang(黃昆），Dynamical Theory of Crystal Lattice, Oxford University Press, Oxford(1954). 在處理光波在離子晶體中的傳播時, 在求解

11、麥克斯韋方程組和物質方程的過程中，經(jīng)典地給出了光學常數(shù)和色散關系，預言紅外區(qū)的色散起源于入射光子與離子晶體的橫向光學聲子(TO)之間的相互作用. 在強耦合極限下, 耦合體系的簡正模極化激元(polariton), 具有輻射類光子和類聲子的特征，這一預言被年代發(fā)展起來的激光喇曼散射實驗所證實,21,1960，Maiman, 第一臺紅寶石激光器問世 70年代，同步輻射光源,20世紀末21世紀初“人人沾光”： III-V,GaN藍色發(fā)光二極管(LED) 授課方法：多媒體的使用：圖，表，講課提綱； 習題與考試等,三、課程安排,23,第一章 光學常數(shù)與色散關系,要點: 復光學常數(shù) (Complex Op

12、tical Constant); 色散關系 (Dispersion Relation),24,光在耗散介質中傳播的實驗規(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 = Io e - d , 固體對光的吸收律 I 光強（Intensity）, J/m2.s 吸收系數(shù)（Absorption Coefficient）, cm-1,1.1 復光學常數(shù),25,對實驗規(guī)律的解釋，引進一系列復光學常數(shù) 復波矢 復介電系數(shù) 復折射率 復極化率 復光電導率 它們之間的關系及物理意義,26

13、,復波矢,平面波,波矢方程,波的傳播方向，電磁波能量損耗,27,復折射率,n 折射率， 消光系數(shù)：基本光學常數(shù),非鐵磁性介質， ：,i.對振幅無衰減介質：均為實數(shù),ii.對振幅有衰減介質：為復數(shù),為實數(shù)：波的振幅有衰減，波在介質中傳播無能 量損耗（？）,為復數(shù)： 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(xiàn)象,廣義 Maxwell 關系式,28,復極化率,固體中（僅考慮線形響應范圍內(nèi)）： 有 其中,極化光與物質相互作用耗散機制的經(jīng)典理解,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,29,介質中與光場相關的矢量之間的位相關系,D=0(1+)E= 0(1+r)E+ i0iE,P=0E= 0(r-1)E+ i0iE,J=-iP= 0iE- i0(r-1)E,30,復光電導率,在平面波照射的固體中，產(chǎn)生極化電流密度,也是一個二階張量,則有,31,1.2 介質中的光強(J/m2.s) 定義 即,（設傳播方向為x）,吸收系