同步辐射真空紫外和红外光谱基础.ppt

同步辐射真空紫外和红外光谱基础 固体的光学性质 固体中的光跃迁 真空紫外光谱简介 晶格振动的基本概念 固体中的红外光谱概述 引言 在经典光学时期，麦克斯韦电磁理论的建立，为光是电磁波这一经典理论奠定了基础，并用光的经典理论成功地解释了光在介质中的吸收、反射、折射、衍射和散射等光学现象。 量子力学建立以后，随着固体能带论和格波理论的发展，人们对固体的认识，特别是微观结构的认识又进入了一个新的阶段 对固体的光学性质和固体光跃迁过程的各种量子理论，进行了充分的研究 光谱学 光谱学是揭示物质结构的有力手段 原子和分子的光谱技术揭示了原子和分子的结构 固体光谱技术，得到了大量丰富的固体结构的信息。 固体光谱学 固体光谱学是关于光与物质相互作用的一门学科，它是凝聚态物理和材料科学研究的重要内容，包括了固体的吸收、反射、发光和散射 光谱学本身就是以光子作为探针探测固体的内部结构 固体材料在光通讯技术、光电子技术、激光技术、光信息处理技术以及光显示技术中都有重要应用 固体光谱学使用的光源既包括紫外、可见和红外波段的常规光源，还包括同步辐射 固体的光学性质 波动方程和光学常数 复介电常数与光吸收 克拉末-克朗尼格（Kramers-Kronig）关系 吸收系数和吸收谱 反射系数和反射谱 发射谱和激发谱 光学常数 光学常数是用来表征固体宏观光学性质的基本的物理量 折射率或介电系数都可以作为最基本的光学常数 光学常数并非真正意义上的常数，它实际上是入射光频率的函数。因此，光学常数又称为光学函数 波矢和介电常数复数表达 光在固体介质中传播时，如果需要考虑吸收的影响，这时的波矢和介电常数都要用复数表示 单色电磁波可以表示为 麦克斯韦方程 一般情况下的麦克斯韦方程组为： 波矢与介电常数实数关系式 利用矢量公式 利用前面的公式,可得 比较以上两式,可得亥姆霍兹方程 其中 折射率与介电常数实数关系式 光在介质中传播时如振幅无衰减，这时波矢k和介电常数?都为实数 波矢k的表达式 波矢和频率的关系 折射率和介电常数的关系式，即麦克斯韦关系 波矢与介电常数复数关系式 波矢方程 复数表达式: 实数部分 虚数部分 复折射率和消光系数 引入复折射率 实部n为通常的折射率，与复波矢的关系 虚部?为消光系数，与复波矢的关系 折射率与介电常数复数关系式 复折射率与复介电常数关系式 与实数表达类似的形式，称为广义的麦克斯韦关系 固体光学性质与光学常数 描述固体宏观光学性质可以有多种形式，可用两个参量组成一组，或用一个复数参量。它们之间存在一定的变换关系。复数光学常数具有实部和虚部分量，其中的一个分量不涉及能量损失，而另一个分量与能量消耗有关 我们既可以用（n，?）这对光学常数来表征固体的光学性质，又可以用(εr,εi) 这对光学常数来描述固体的光学性质，二者是等价的 电流密度 现在讨论介质中由电磁场感应的电流密度 电场可以表示为 Ey=E0exp[i(kx-?t)] 在介质中 D = ?0E + P 由于 D = ?0?E 所以 P = ?0 (?-1) E = ?0? E 其中，?=?-1 又称为电极化率。 吸收功率 对于极化电流，在一个周期中平均的结果，电场做功为零，因而不消耗电磁场的能量。而对于传导电流，存在欧姆定律 j=?E，会消耗电磁场的能量 其中，?为电导率，且 ?=??i?0 单位时间吸收的平均功率为 复介电常数与光吸收 考虑电场随时间的变化 对于周期函数，一个周期内求平均的结果为零 ?i与吸收功率之间的关系 色散关系 光学常数并不是一个恒定值，而是入射光频率的函数 复折射率和复介电常数表达式 光学常数的这种频率依赖关系又称为色散关系。因此，光学常数有时又称为光学函数 K-K关系 所谓K-K关系就是指当知道了一个线性无源系统响应函数的虚部在所有频率下的值就能得出它的实部。同样，知道实部在所有频率下的值就能得出它的虚部 对于介电函数的实部和虚部满足以下的K-K关系表达式 吸收系数 光在固体中传播时其强度一般要发生衰减，并遵从指数衰减规律，即当光在物质中传播d距离后，光强的变化可以简单地表示为 其中?称为吸收系数，量纲为cm-1，表示光在固体中传播d=1/?时，光强衰减到原来的1/e 吸收系数与光学常数 光在固体介质中传播时，如果需要考虑吸收的影响，振幅以波矢虚部ki为指数的形式衰减 I=E0