固体光学与光谱学1

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1、固体光学与光谱学(SolidStateOptics&Spectroscopy)廖源中国科技大学物理系Address:物理楼303房间Tel:3607142Email:liaoyuan@ustc.edu.cn1参考书：1.《半导体光学》（Semiconductoroptics,Springer-Verlag)，C.F.Klingshirn，世界图书出版公司,1999年2.《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3.《半导体光谱和光学性质》，沈学础著，科学出版社，2002年教材：《固体光谱学(SolidStateSp

2、ectroscopy)》，方容川编著，中国科学大学出版社，2003年2绪论(Introduction)主要内容一、研究内容二、光学的发展简史三、课程安排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。一、研究内容《固体光学与光谱学》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

3、（）......如：激子态、极化激元、声子态、缺陷态......5典型的半导体吸收光谱6固体吸收光谱的主要特征：基本吸收区：价带（电子）导带，伴随光电导，a-105~106cm-1激子吸收峰：激子态自由载流子吸收：导带（价带）中的电子（空穴）声子吸收带：光与晶格振动模式间的作用,a杂质吸收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著名科学家丁肇中在2000.11世界科技大会上题为“探求自然界的基本构造”的演讲，“…回顾世界科学和技术的发展，中国有着重要的贡献：在科学上，光与物质相互作用的研究

4、是最早的物理课题，公元前四世纪周朝墨子的著作中就有这方面的详细记载”。例如，墨子《经说下》第四十三中：“光至，景(ying)亡，若在，尽古（ku)息。B.c.3世纪春秋出土丝光瓷器:纳米贵金属颗粒镶嵌的瓷器，在阳光下色彩斑斓B.c.2-3世纪，Archimede利用巨型透镜会聚太阳光焚烧敌舰的故事二、光学的发展简史萌芽时期：远古~15世纪末、16世纪初8从墨翟开始的两千多年的漫长岁月构成了光学发展的萌芽时期，在此期间光学发展比较缓慢。到15世纪末和16世纪初，凹面镜、凸面镜、眼镜、透镜以及暗箱和幻灯等光学元件的相继出现，预示着新的时期即将到

5、来。9几何光学时期：16世纪初~19世纪初这一时期可以称为光学发展史上的转折点。在这个时期，建立了光的反射定律和折射定律，奠定了几何光学的基础。同时为了提高人眼的观察能力，人们发明了光学仪器，第一架望远镜的诞生促进了天文学和航海事业的发展，显微镜的发明给生物学的研究提供了强有力的工具。到17世纪中叶，基本上已经奠定了几何光学的基础。1017世纪下半叶，牛顿和惠更斯等人把光的研究引向进一步发展的道路。牛顿根据光的直线传播性质，提出了光是微粒流的理论。惠更斯反对光的微粒说，从声和光的某些现象的相似性出发，认为光是在“以太”中传播的波。这一时期中

6、，在以牛顿为代表的微粒说占统治地位的同时，以惠更斯为代表的波动说也初步提出来了。111665年,牛顿第一次用三棱镜观察到太阳这个凝聚态物质的光谱,他正确地解释了这是由于不同光线折射率不同引起的,即折射率的色散关系，可以说是牛顿开创了光谱学的研究。正如著名物理学家斯托列托夫所说，牛顿的伟大实验开辟了整个光谱学。随后他又研制成世界上第一架反射式天文望远镜.12波动光学时期：19世纪初~20世纪初到了19世纪初，初步发展起来的波动光学的体系已经形成。1801年杨氏最先用干涉原理令人满意的解释了白光照射下薄膜颜色的由来并做了著名的“杨氏双缝干涉实验

7、”，还第一次成功的测定了光的波长。1815年菲涅耳用杨氏干涉原理补充了惠更斯原理，形成了人们所熟知的惠更斯—菲涅耳原理。131845年法拉第揭示了光学现象和电磁现象的内在联系。麦克斯韦在1865年的理论研究说明光是一种电磁现象。这个理论在1888年被赫兹的实验所证实。至此，确立了光的电磁理论。1808年马吕斯偶然发现光在两种介质界面上反射时的偏振现象。随后菲涅耳和阿拉果对光的偏振现象和偏振光的干涉进行了研究。141859年本生和基尔霍夫制成了第一台棱镜光谱仪。开始了光谱与物质组成的关系，确认各种物质都具有自己的特征谱线，从而开创了"光谱化学

8、分析"这一学科领域。由于光谱分析对鉴定物质化学成份的巨大意义，导致了光谱研究的急骤发展和应用。很快地就有人把分光镜用于天文观测，立即得到了重大发现，知道天上的物质与地上一样，而当