Тема 9: Оптические свойства твёрдых тел

9.1. Виды взаимодействия света с твёрдым телом

Взаимодействия света с твёрдым телом делятся на два типа:

1. Взаимодействие с сохранением энергии кванта света.

2. Взаимодействие с превращением энергии фотона.

К первому типу относятся:

1. Пропускание

2. Отражение

3. Рассеивание света

Сохранение энергии фотона означает, что пи взаимодействии с твёрдым телом отсутствует эффект передачи энергии. Во взаимодействиях второго типа энергия фотона передаётся ТТ, в результате чего могут генерироваться квазичастицы. Эти взаимодействия можно разделить на 2 группы:

1. Неэлектрические

2. Электрические

Группу «А» составляют явления, в которых в результате взаимодействия фотонов с ТТ рождаются квазичастицы, не имеющие электрического заряда – фононы, экситоны, другие фотоны. В группу «В» входят явления, называющиеся фотоэлектрическими. В них энергия фотонов поглощается твёрдым телом, и при этом генерируется свободные электроны, дырки, или пары «электрон-дырка», наблюдается фотоэлектронная эмиссия и так далее.

Рисуночег (633, 634)

9.2. Оптические константы

Интенсивность световой волны, распространяющейся в кристалле, уменьшается с длинной проникновения по следующему закону:

где х – глубина проникновения, а называется коэффициентом поглощения, в которой ω – частота света, с – скорость света, k – коэффициент экстинкции – характеризует поглощение в веществе и является мнимой частью коэффициента – показатель преломления.

Экспоненциальный характер ослабления в твёрдом теле позволяет интерпретировать коэффициент α как вероятность поглощения фотона в образце единичной толщины. Часть световой энергии, падающей на твёрдое тело, отражается от поверхности кристалла.

Коэффициент R, представляющий собой долю света, отражённого от твёрдого тела, называется коэффициентом отражения:

где – интенсивность падающей световой волны, – отражённой.

Коэффициент Т, представляющий долю прошедшего света, называется коэффициентом пропускания:

где – интенсивность прошедшего света.

Все оптические коэффициенты являются функциями длины волны падающего излучения.

Зависимость коэффициента поглощения от длины волны падающего света называют спектром поглощения. Зависимость называют спектром отражения.

9.3. Поглощение света кристаллами

При поглощении света ТТ-ми энергия фотонов превращается в другие виды энергии. Поглощение обусловлено действием следующих механизмов:

1. Межзонных электронных переходов из валентной зоны в зону проводимости. Связанное с этим механизмом поглощения называют собственным (будет в контрольной).

2. Переходов, связанных с участием экситонных состояний – экситонное поглощение.

3. Переходов электронов или дырок внутри соответствующих электронных зон, т.е. переходов, связанных с наличием свободных носителей зарядов – поглощение свободными носителями зарядов.

4. Переходов с участием примесных состояний – примесное поглощение.

5. Поглощение энергии световой волны колебаниями кристаллической решётки – решёточное или фононное поглощение.