ВВЕДЕНИЕ в ОптикУ твердого тела
Программа специального курса для бакалавров (4 курс)
Подготовлена проф. и к. ф.-м. н.
1. Основные понятия и примеры описания оптических свойств твердых тел. Классификация твердых тел по размерности, электронным и оптическим свойствам. Уравнения Максвелла для среды с поглощением. Волновое уравнение. Комплексные показатель преломления и диэлектрическая проницаемость. Соотношения Крамерса-Кронига. Отражение света от границы раздела двух сред. Формулы Френеля. Угол Брюстера. Понятие о брюстеровской спектроскопии уровней и эллипсометрии..
2. Модель Друде-Лоренца для взаимодействия света с металлами и диэлектриками. Особенности электронного спектра металлов, полупроводников и диэлектриков. Поглощение и отражение света в металлах. Модель Друде-Лоренца. Плазменное отражение. Понятие о плазмонах. Поглощение света в диэлектриках. Уравнение Клаузиуса-Моссоти. Примеры оптических спектров.
3. Взаимодействие света с колебаниями атомов твердого тела. Особенности колебательного спектра кристаллов. Фононы. Поглощение света на колебаниях решетки. Соотношение Лиддейна-Сакса-Теллера. Полоса остаточных лучей. Влияние граничных условий на колебательный спектр наноструктур и наночастиц. Поверхностные и локальные фононы. Примеры фононных спектров поглощения.
4. Поглощение света в полупроводниках. Прямозонные и непрямозонные полупроводники. Прямые (вертикальные) и непрямые оптические переходы. Поглощение света при прямых переходах, комбинированная плотность состояний. Дипольно-разрешенные и запрещенные переходы. Поглощение света при непрямых переходах, виртуальные состояния. Температурная зависимость коэффициента поглощения. Особенности поглощения света в вырожденных полупроводниках. Эффект Бурштейна-Мосса.
5. Поглощение света в полупроводниках (продолжение). Особенности Ван-Хова. Влияние примесей на энергетический спектр полупроводника. Хвосты плотности состояний. Особенности поглощения света в аморфных полупроводниках. Правило Урбаха. Поглощение при малых концентрациях примеси. Взаимодействие света со свободными носителями заряда в полупроводниках: квантово-механическое описание и классическая модель Друде. Плазменный минимум отражения.
6. Экситонное поглощение света. Экситоны Френкеля и Ванье-Мотта. Спектр экситона Ванье-Мотта. Экситонные комплексы. Коллективные эффекты в системе экситонов: электронно-дырочная жидкость и электронно-дырочные капли. Фазовый переход Мотта.
7. Влияние внешних воздействий на оптические свойства твердых тел. Изменение энергетического спектра кристалла при деформации. Фазовый переход полупроводник-металл. Влияние нагрева, свойства полупроводников в расплавленном состоянии. Влияние магнитного поля, уровни Ландау, циклотронный резонанс, вращение плоскости поляризации.
8. Влияние внешних воздействий на оптические свойства твердых тел (продолжение). Полупроводник в электрическом поле, эффект Франца-Келдыша. Электро - и фото-отражение. Понятие о модуляционной спектроскопии.
9. Фотоэлектрические явления в полупроводниках. Фотоэффект. Релаксация фотовозбужденнных носителей заряда, термализация, максвелловское время релаксации. Классификация фотоэлектрических явлений. Собственная и примесная фотопроводимость. Время релаксации фотопроводимости.
10. Рассеяние света в твердых телах. Динамические и статические флуктуации показателя преломления. Упругое и неупругое рассеяние. Рассеяние Рэлея, угловая и частотная зависимости. Рассеяние Ми. Рассеяние Мандельштама-Бриллюэна, стоксовы и антистоксовы компоненты рассеяния. Комбинационное (рамановское) рассеяние света, зависимость от температуры. Рассеяние света в поглощающих средах.
11. Эмиссия излучения из твердых тел. Люминесценция. Межзонная рекомбинация. Формула Шокли-Ван-Русбрека. Время жизни при межзонной рекомбинации. Примесная и экситонная люминесценция в полупроводниках. Излучательная рекомбинация с участием мелких уровней. Донорно-акцепторные пары. Изоэлектронные ловушки. Связанные экситоны. Люминесценция свободных экситонов, электронно-дырочной жидкости и электронно-дырочных капель.
12. Особенности оптических свойств полупроводниковых наноструктур. Квантовый размерный эффект. Метод эффективной массы. Влияние квантового размерного эффекта на спектры поглощения и фотолюминесценции. Примеры оптических свойств полупроводниковых наноструктур.
13. Введение в оптоэлектронику органических полупроводников. Строение и электронный спектр органических полупроводников. Состояния HOMO и LUMO. Поглощение и испускание света в органических полупроводниках. Светоизлучающие устройства и солнечные элементы.
14.Введение в интегральную оптику. Явление полного внутреннего отражения. Распространение света в волноводах. Оптические усилители и мультиплексоры. Оптическая передача информации. Понятие об оптическом компьютере.
15.Элементы нелинейной оптики твердого тела. Нелинейная поляризуемость среды. Генерация гармоник, смешение частот и оптическое выпрямление. Роль симметрии решетки. Генерация второй гармоники при прохождении оптической среды. Фазовый синхронизм. Генерация гармоник в средах с аномальной дисперсией и двулучепреломлением. Генерация второй гармоники при отражении на границе раздела сред.
16. Элементы нелинейной оптики твердого тела (продолжение). Вынужденное комбинационное рассеяние света. Рамановский лазер. Генерация квазиконтинума. Связь явлений спонтанного и вынужденного комбинационного рассеяний света. Когерентное антистоксово рассеяние света (КАРС).
Рекомендуемая литература:
, . Оптика твердого тела и систем пониженной размерности. М., Физ. Факультет МГУ, 2009. Ч. Китель. Введение в физику твердого тела. М., Наука, 1978. Физика полупроводников. М., Энергоатомиздат, 1985. -Бруевич, . Физика полупроводников. М., Наука, 1990. Ж. Панков. Оптические процессы в полупроводниках. М., Мир, 1973. Т. Мосс, Г. Баррел, Б. Эллис. Полупроводниковая оптоэлектроника. М., Мир, 1976. . Оптические свойства полупроводников. М., Наука, 1977. А. Берг, П. Дин. Светодиоды. М., Мир, 1979. , . Физика мощного лазерного излучения. М., Наука, 1991.