固体的光学性质和光材料分析共39页
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固体的光学性质和光材料分析
激子吸收 除了基础吸收以外，还有一类吸收， 其能量低于能隙宽度，它对应于电子 由价带向稍低于导带底处的的能级的 跃迁有关。这些能级可以看作是一些 电子 - 空穴（或叫做激子， excition ） 的激发能级。
导带
激子能级 能隙(禁带）
价带
缺陷存在时晶体的光吸收 晶体的缺陷有本征的，如填隙原子和空位，也有非本征的，如 替代杂质等。这些缺陷的能级定于在价带和导带之间的能隙之中。当 材料受到光照时，受主缺陷能级接受价带迁移来的电子，而施主能级 上的电子可以向导带迁移，这样就使原本不能发生基础吸收的物质由 于缺陷存在而发生光吸收。 C→V过程 在高温下发生的电 子由价带向导带的跃迁。 E→V过程 这是激子衰变过程。 这种过程只发生在高纯半导体和低 电子泵抽运造成 的电子-空穴对 温下，这时 KT 不大于激子的结合 能。可能存在两种明确的衰变过程： V 自由激子的衰变和束缚在杂质上的 激子的衰变。
C E D
电子泵抽运造成 的电子-空穴对
C
C
DD
DA A V V V V V
D→A过程
如果同一半导体材料中，施主和受主杂质同时存在，
那么可能发生中性施主杂质给出一个电子跃迁到受主杂质上的过程， 这就是D→A过程.。发生跃迁后，施主和受主杂质都电离了，它们之间 的结合能为： Eb= - e2/4πεKr 该过程的能量为：Eg—ED—EA—Eb。
固体的光性质和光功能材料
固体的光性质，从本质上讲，就是固体和电磁波的相 互作用，这涉及晶体对光辐射的反射和吸收，晶体在光作用 下的发光，光在晶体中的传播和作用以及光电作用、光磁作 用等。基于这些性质，可以开发出光学晶体材料、光电材料、 发光材料、激光材料以及各种光功能转化材料等。
固体的光学性质与激光
固体的光学性质与激光光学是研究光的传播和相互作用的学科。
光学性质是指物质对光的吸收、反射、透射、散射、折射等特性。
在固体物质中，光学性质的研究对于理解物质的结构、性质和应用具有重要意义。
而激光则是由固体、液体或气体等特定材料产生的一种高强度、高单色性、高方向性的光束。
固体的光学性质与激光有着密切的联系，本文将探讨固体的光学性质对激光的产生和应用的影响。
第一节：固体的吸收和发射1.1 线性吸收和非线性吸收固体物质对光的吸收可以是线性吸收或非线性吸收。
线性吸收是指物质在光的作用下，吸收光的能量，并将其转化为热能或其他形式的能量。
非线性吸收是指物质在光的作用下，吸收光的能量，并在吸收过程中发生电子或原子激发，从而改变了物质的电子结构和光学性质。
1.2 发射光谱固体物质在吸收光的过程中，还会发射出特定的光谱。
发射光谱可以用来研究物质的结构和能级分布。
发射光谱的特征峰位、峰形和强度都可以反映固体的光学性质。
第二节：固体的光学色心和发光2.1 光学色心光学色心是指固体物质中的某些原子、离子或分子在激发态和基态之间存在着能级差的结构。
这些能级差导致了物质在特定波长的光照射下的吸收和发射行为。
色心可以使物质呈现出特定的颜色。
2.2 固体的发光固体物质在某些条件下会发光。
例如，某些晶体在被紫外光或其他波长的光照射下会发光。
这种发光现象被称为固体荧光。
由于固体的光学性质与能带结构和晶体结构密切相关，固体的发光现象可用来研究物质的结构和性质。
第三节：固体的激光产生3.1 激光器原理激光器是一种利用激活介质产生激光的装置。
激活介质可以是固体、液体或气体。
固体激光器利用固体材料中的光学色心或荧光现象产生激光。
3.2 固体激光材料固体激光材料通常具有较高的吸收截面和较长的寿命，使其适合用于激光器的工作介质。
常见的固体激光材料包括Nd:YAG晶体、Ti:sapphire、Er:YAG晶体等。
第四节：固体激光的应用4.1 材料加工固体激光器在材料加工领域具有广泛的应用。
《固体光学与光谱学》课件
固体光学材料在光学仪器制造 中发挥着重要作用，如透镜、
棱镜等。
能源领域
固体光学在太阳能利用领域也 有广泛应用，如太阳能电池等
。
生物医学领域
固体光学在生物医学领域的应 用包括光学成像、光谱分析等
。
02
固体光谱学基础
光谱学的定义与分类
01
总结词：光谱学的定义与分类
02
光谱学是研究物质与光相互作用的科学，通过分析物质产生的光谱， 可以了解物质的组成、结构和性质。
拓展应用领域
积极探索固体光学与光谱学的应用领域，推动其在各个领域的实 际应用。
THANKS
感谢观看
激光材料分类
激光材料可以根据能级结构和光谱特性分为固体激光材料 、气体激光材料、液体激光材料等，不同类型激光材料的 性能和应用范围也不同。
激光材料应用
激光材料在激光器、光通信、医疗等领域有广泛应用，如 固体激光器、光纤激光器、医用激光器等。
固体非线性光学材料的光谱学研究
01
非线性光学材料光谱学研究
应用领域拓展
目前固体光学与光谱学的应用领域还不够广泛，需要进一步拓展其 应用范围，如生物医学、环境监测等领域。
对未来研究的建议与展望
加强交叉学科合作
鼓励不同学科领域的专家学者进行合作研究，共同推动固体光学 与光谱学的发展。
强化基础研究
加强基础研究，完善相关理论体系，为固体光学与光谱学的应用 提供理论支持。
发光材料分类
发光材料可以根据能级结构和光 谱特性分为荧光材料、磷光材料 、上转换材料等，不同类型发光 材料的性能和应用范围也不同。
发光材料应用
发光材料在显示、照明、生物成 像等领域有广泛应用，如LED显 示屏、荧光灯、荧光粉等。
棱镜等。
能源领域
固体光学在太阳能利用领域也 有广泛应用，如太阳能电池等
。
生物医学领域
固体光学在生物医学领域的应 用包括光学成像、光谱分析等
。
02
固体光谱学基础
光谱学的定义与分类
01
总结词：光谱学的定义与分类
02
光谱学是研究物质与光相互作用的科学，通过分析物质产生的光谱， 可以了解物质的组成、结构和性质。
拓展应用领域
积极探索固体光学与光谱学的应用领域，推动其在各个领域的实 际应用。
THANKS
感谢观看
激光材料分类
激光材料可以根据能级结构和光谱特性分为固体激光材料 、气体激光材料、液体激光材料等，不同类型激光材料的 性能和应用范围也不同。
激光材料应用
激光材料在激光器、光通信、医疗等领域有广泛应用，如 固体激光器、光纤激光器、医用激光器等。
固体非线性光学材料的光谱学研究
01
非线性光学材料光谱学研究
应用领域拓展
目前固体光学与光谱学的应用领域还不够广泛，需要进一步拓展其 应用范围，如生物医学、环境监测等领域。
对未来研究的建议与展望
加强交叉学科合作
鼓励不同学科领域的专家学者进行合作研究，共同推动固体光学 与光谱学的发展。
强化基础研究
加强基础研究，完善相关理论体系，为固体光学与光谱学的应用 提供理论支持。
发光材料分类
发光材料可以根据能级结构和光 谱特性分为荧光材料、磷光材料 、上转换材料等，不同类型发光 材料的性能和应用范围也不同。
发光材料应用
发光材料在显示、照明、生物成 像等领域有广泛应用，如LED显 示屏、荧光灯、荧光粉等。
L9-固体的光学性质和光电现象(1)
9.2 (K-K)关系
克拉末——克龙尼克 (K-K)关系
每个固体需用两个光学常数来描述，知道 其中一个量在整个频谱段中的全部值（不是单 一频率下的值），便可由K-K关系算出该固体
另外一个量在相应频段中的值。
将某种形式的光学常数写成：
( ) C ( ) iC ( ) C 1 2
10
§9 固体的光学性质与固体中的光电现象(1)
2
5
§9 固体的光学性质与固体中的光电现象(1)
9.1 固体的光学常数
固体的光学常数除了可用折射率和消光系
数这对物理量来描述外，还可用其他物理量来
描述。较常用的是介电常数 与电导率 。
用麦克斯韦方程将它们联系起来：
2 2 2 n c ic
c 1/ 0 0 式中，c为真空中的光速，
I I 0e
z
为吸收系数。它数值上等于光波强度因吸
收而减弱到1/e时透过的物质厚度的倒数，它用 单位cm-1表示。
4
§9 固体的光学性质与固体中的光电现象(1)
9.1 固体的光学常数
当光从自由空间入射到固体表面时，反射
光强与入射光强之比称为反射率R
1 n (n 1) 2 K 2 R 1 n (n 1) 2 K 2
h h 0 Eg
其中， 0 是发生本征吸
收的最低频率限，相应的 0
0，0 称为半 为长波极限，
导体的本征吸收限。
24
§9 固体的光学性质与固体中的光电现象(1)
9.4 半导体的光吸收
本征吸收长波限的公式：
hc 1.24eV 0 （ m） Eg Eg (eV )
根据半导体材料不同的禁带宽度，可以算出 相应的本征吸收长波限。
固体的光学性质.
二、固体的磁化
1. 磁化强度
在外磁场作用下，介质中的原子磁矩将按一定规则排 列，因此原子磁矩不能完全抵消。 通常把固体中单位体积内的磁偶极矩的矢量和，称为 磁化强度，定义为
dPm M dV
在均匀的固体中，M或者与H平行，或者与H反平行。
2. 磁化率
在外磁场作用下，介质中的原子磁矩不能完全抵消， 从而使整体表现出磁性的现象，称为介质的磁化。 磁化强度是描述固体磁化程度的物理量，它与磁场强 度成正比。即
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（2）反铁磁体 在铁磁体中，某些物体内原子间的互作用量子力可以 使相邻离子（或原子）的磁矩方向相反，其磁矩排列方 式如图所示。因此，这类铁磁体整体不呈现磁性。 在外磁场作用下，这类材料表现为 特有的顺磁性，并具有显著的各向异 性。 这种在外磁场下呈现出顺磁性、且 具有显著各向异性的铁磁材料，称为 反铁磁体。 常见的反铁磁体都是过渡金属的化合物，如CRCl2、 MnO、NiO、CoO、FeF2、VCl3、V2O4等。
当温度高于铁磁居里温度Tc，铁磁体转变为顺磁体， 其磁化率满足居里—外斯定律
0C
T TP
式中，TP 称为顺磁居里温度，其数值略高于铁磁居里温 度Tc 。一些铁磁体的Tc和Tp值如下表所示。 材料 Tc(K) Tp (K) 材料 Tc(K) Tp (K) Fe 1043 1093 Dy 85 154 Co Ni Gd 1388 627 292 1428 650 317 Ho Er 20 20 85 42
2. 有序磁性介质
（1）铁磁体 铁磁体的磁化率是数值很大的正数，通常比顺磁体的 磁化率大5~6个数量级。 在铁磁体中，每个原子都有不满的 d 壳层引起的固有 磁矩。 由于相邻原子间的量子力学互作用，使各原子的固有 磁矩趋于排列平行，形成自发磁化，产生铁磁性。 铁磁体的磁化率也依赖外磁场强度。 此外，铁磁体的铁磁性只存在温度低于铁磁居里温度 Tc 的情况下。
固体的光学性质和光材料课件
影响电导率的因素 光材料的电导率受其内部电子的移动性和数量影 响。金属材料通常具有高电导率，因为它们的电 子结构允许电子自由移动。
应用 了解光材料的电导率对于其在电子设备、传感器 和电路中的应用非常重要。
热导 率
热导率
热导率是描述光材料在热量传递 方面的能力的物理量。热导率越 高，光材料在热量传递方面的能 力越强。
影响热导率的因素
光材料的热导率受其内部原子或 分子的振动和晶格结构影响。金 属材料通常具有高热导率，因为 它们的原子结构允许热量通过晶 格振动传递。
应用
了解光材料的热导率对于其在散 热器、电子封装和热管理中的应 用非常重要。
06 光材料的化学性质
稳定性
稳定性是指光材料在特定环境 条件下保持其化学和物理性质 的能力。
02
晶体具有各向异性，即 其光学性质在不同方向 上有所不同。
03
04
常见的晶体材料包括硅、 锗、金刚石、石榴石等。
晶体在光学仪器、激光 器、光电子器件等领域 有广泛应用。
非晶体
01
02
03
04
非晶体是原子或分子排列无序 的固体，没有明显的晶体结构。
非晶体具有各向同性，即其光 学性质在各个方向上相同。
影响因素
物质的反射率与物质的性质、光的波长和入射角等因素有关。不同 物质有不同的反射率，同一物质对不同波长的光也有不同的反射率。
应用
在光学仪器、光学通信和显示技术等领域，需要使用具有特定反射率 的光学材料。通过调整材料的反射率，可以实现对光的控制和调制。
透过率
透过率
是指光在介质中传播时，透射光强度与入射光强度的比值。透过率的大小反映了光在介质 中传播的难易程度。
固体的光学性质和光 材料课件
应用 了解光材料的电导率对于其在电子设备、传感器 和电路中的应用非常重要。
热导 率
热导率
热导率是描述光材料在热量传递 方面的能力的物理量。热导率越 高，光材料在热量传递方面的能 力越强。
影响热导率的因素
光材料的热导率受其内部原子或 分子的振动和晶格结构影响。金 属材料通常具有高热导率，因为 它们的原子结构允许热量通过晶 格振动传递。
应用
了解光材料的热导率对于其在散 热器、电子封装和热管理中的应 用非常重要。
06 光材料的化学性质
稳定性
稳定性是指光材料在特定环境 条件下保持其化学和物理性质 的能力。
02
晶体具有各向异性，即 其光学性质在不同方向 上有所不同。
03
04
常见的晶体材料包括硅、 锗、金刚石、石榴石等。
晶体在光学仪器、激光 器、光电子器件等领域 有广泛应用。
非晶体
01
02
03
04
非晶体是原子或分子排列无序 的固体，没有明显的晶体结构。
非晶体具有各向同性，即其光 学性质在各个方向上相同。
影响因素
物质的反射率与物质的性质、光的波长和入射角等因素有关。不同 物质有不同的反射率，同一物质对不同波长的光也有不同的反射率。
应用
在光学仪器、光学通信和显示技术等领域，需要使用具有特定反射率 的光学材料。通过调整材料的反射率，可以实现对光的控制和调制。
透过率
透过率
是指光在介质中传播时，透射光强度与入射光强度的比值。透过率的大小反映了光在介质 中传播的难易程度。
固体的光学性质和光 材料课件
固体物理第一章第五节 光学性质
所以，当«1时,
n n 0 n1 n2
2 1 2 2
c ( 0 0 )
1 2
在自由电子气体中变为
v
k
3.自由电子气体的复数折射率 按照折射率的定义
c ( 0 0 )
1 2
;v
k
c nc v
由
k 12 1 k 0 ( 0 i ) [0 ( 0 i )] v
2 2
自由电子气体的复数折射率按照折射率的定义所以自由电子气体的复数折表明自由电子气体的复数折射率的平方等于复数相对介电常数消光系数extinctioncoefficient亦即波矢k可用复折射率表示假定电磁波沿着垂直于金属表面的z方向传播则ztikr可见波幅在传播中是衰减的由于光强i比例于波幅的平方ieeeeieie关这就是为什么需要考虑吸收的影响时要用复数介电常数之故同时也是把虚ieieie所以是因介质对电磁波能量的吸收光强衰减到原来的e1时电磁波在介质中传播的距离
由于电磁波从真空或空气入射，所以
na 1
所以 r Er ne na n1 in2 1 (n1 1) in2
Ei ne na n1 in2 1
(n1 1) in2
由此可得电磁波从空气进入金属中传播时 的反射系数(反射波电场振幅Er的平方与入射 波电场振幅Ei的平方的比):
一.光吸收的描述—复数介电常数 假设入射金属的电磁波是 i ( k r t ) E 2 E E E0 e 2 E 0 0 0 2 0
t t
将它代入波动方程可得波矢：
k 0 0 i0 0 ( 0 i )
有人说 n1 n2 并不成立,因为： 1 i 2 nc n1 in2 (1 ) (1.5.10) p17 0 i 2 2 2 2 nc (n1 in2 ) n1 n2 2in1n2 1 0
n n 0 n1 n2
2 1 2 2
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在自由电子气体中变为
v
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3.自由电子气体的复数折射率 按照折射率的定义
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1 2
;v
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c nc v
由
k 12 1 k 0 ( 0 i ) [0 ( 0 i )] v
2 2
自由电子气体的复数折射率按照折射率的定义所以自由电子气体的复数折表明自由电子气体的复数折射率的平方等于复数相对介电常数消光系数extinctioncoefficient亦即波矢k可用复折射率表示假定电磁波沿着垂直于金属表面的z方向传播则ztikr可见波幅在传播中是衰减的由于光强i比例于波幅的平方ieeeeieie关这就是为什么需要考虑吸收的影响时要用复数介电常数之故同时也是把虚ieieie所以是因介质对电磁波能量的吸收光强衰减到原来的e1时电磁波在介质中传播的距离
由于电磁波从真空或空气入射，所以
na 1
所以 r Er ne na n1 in2 1 (n1 1) in2
Ei ne na n1 in2 1
(n1 1) in2
由此可得电磁波从空气进入金属中传播时 的反射系数(反射波电场振幅Er的平方与入射 波电场振幅Ei的平方的比):
一.光吸收的描述—复数介电常数 假设入射金属的电磁波是 i ( k r t ) E 2 E E E0 e 2 E 0 0 0 2 0
t t
将它代入波动方程可得波矢：
k 0 0 i0 0 ( 0 i )
有人说 n1 n2 并不成立,因为： 1 i 2 nc n1 in2 (1 ) (1.5.10) p17 0 i 2 2 2 2 nc (n1 in2 ) n1 n2 2in1n2 1 0
固体的光性质与光功能材料
2、固体的发光和发光材料
2.1 激发源和发光材料分类 发光：描述某些固体材料由于吸收能量而随之发生的 发射光现象。发光可以以激发光源类型的不同划分 为如下发光类型： 光致发光：以光子或光为激发光源，常用的有紫外光 作激发源。 电致发光：以电能作激发源。 阴极致发光：使用阴极射线或电子束为激发源。
26
2
电光材料 荧光材料
材料： 无机材料：砷化镓（GaAs）、砷铝化镓（GaAlAs）等材 料 有机材料
N O Al N O AlQ N O
3
4
市场上出售的普通荧光棒内装有过氧化氢溶液以及一种 包含苯基草酸酯和荧光染料的溶液。当上述两种溶液 混合时，会依次发生下列反应
5
1. 过氧化氢氧化苯基草酸酯，生 成苯酚和不稳定的过氧酸酯。 2. 不稳定的过氧酸酯分解生成更 多的苯酚和一种环状过氧化合 物。 3. 环状过氧化合物分解生成二氧 化碳。 4. 分解过程中会向染料释放能量。 5. 染料原子的电子跳至更高级别， 然后回落，并以光的形式释放 能量。
6
固体的能带理论与导电性
先看两个原子的情况
3p 3s 2p 2s
Mg
.
Mg 3p 3s 2p
1s
2s 1s
7
能级
能带
E
能隙，禁带
N条
1、能带（energy band）：由于各原子间的相互作用，使 得原来孤立原子的能级发生分裂。 • 若有N个原子组成一体，对于原来孤立原子的一个能级， 就分裂成 N条靠得很近的能级，称为能带。
17
空带 h
CdS
Eg=2.42eV
【例】要使半导体 CdS 产生本征光电导，求激 发电子的光波的波长最 大多长？
hc Eg h min max