內容簡介
《現代物理基礎叢書·典藏版:激光光散射譜學》較全麵地介紹瞭光散射(拉曼散射,布裏淵散射,米散射,瑞利散射,動態光散射)的經典理論,量子理論,多聲子散射理論和光散射選擇定則,詳細介紹激光光散射的實驗技術和方法,包括非綫性光散射和錶麵增強拉曼散射。最後介紹激光光散射在許多學科領域的研究和應用,包括氧化物,介電,鐵電材料,磁性材料,半導體,高溫超導體,聚閤物,液晶等塊體、薄膜和納米結構的光散射譜的研究。
《現代物理基礎叢書·典藏版:激光光散射譜學》將理論、係統裝置、實驗技術及其在當代科學研究方麵的應用集為一體,體現其係統性和科學先進性,書中豐富的圖錶以及書後的習題思考題有助於讀者直觀深入的理解,每章後麵的參考文獻和書後的翔實附錄便於備查。
《現代物理基礎叢書·典藏版:激光光散射譜學》可以作為物理學、化學、材料科學的研究生教材,也可以作為其他相關專業研究生的教材和教學參考書,還可以作為從事相關領域研究的教師、科學工作者的參考書。
內頁插圖
目錄
前言/序言
19世紀末,20世紀初德英科學傢米和瑞利對空氣中微粒受太陽光散射的研究打開瞭光散射研究的序幕,他們發展瞭米散射和瑞利散射理論,滿意地解釋天空的雲朵為什麼呈現白色以及晴朗的天空為什麼呈現藍色。瑞利因研究與光散射有關的氣體密度和發現稀有氣體氬,獲得瞭1904年諾貝爾物理學奬。20世紀20年代,法國科學傢布裏淵研究與聲波有關的密度起伏的光散射,發現光波使聲波産生瞭多普勒頻移,在入射光兩邊得到瞭對稱的散射邊帶(後來為實驗所證實),這就是布裏淵散射。20世紀20-30年代,印度科學傢拉曼利用水銀燈照射苯溶液等液體,發現瞭在水銀燈激發綫的兩邊呈對稱分布的新輻射譜綫,這一輻射稱為拉曼散射。拉曼因發現這一新的輻射和所取得的許多光散射研究成果而獲得1930年諾貝爾物理學奬。
光散射研究的進展與光散射譜儀的改進和發展息息相關,一個世紀以來光散射譜儀經曆瞭相當重要的發展過程,初期使用的光源汞燈後來由不同功能的激光器,如離子激光器、半導體激光器、固體微型激光器、飛秒激光器等替代。分光棱鏡由兼具色散分光和抑製雜散光功能的全息光柵單色儀或陷波濾波器替代。光散射譜的攝譜檢測裝置則由光電倍增管、電荷耦閤器件(CCD),電子數字檢測裝置替代。由此光散射譜儀的整體水平得到瞭大大提高。相繼發展的多種具有先進水平的光散射譜儀不斷地引進瞭實驗室,使得光散射譜學在眾多學科領域研究方麵發揮越來越重要的作用,
作者於1983~1986年期間訪問瞭美國科羅拉多大學,在著名的光散射專傢吉·弗·斯科特(J.F.Scott)教授領導的凝聚態物理實驗室從事鐵電、介電和光電材料的拉曼散射、布裏淵散射和動態光散射等研究工作。迴國後在從事科學研究的同時為南京大學理科(物理、化學、材料科學、電子科學、地球科學等)研究生開設瞭《激光光散射譜學》課程,進行每年一學期的教學工作。二十年來,作者將光散射原理、實驗技術及其應用係統地貫穿起來,結閤多年的研究工作和國際學科發展動嚮,在教材中不斷引入重要研究結果,使課程內容日趨豐富和係統。當前眾多的實驗室裝備瞭光散射譜儀,越來越多的研究者運用光散射譜儀開展研究工作。作者深感有必要寫一本係統、通俗、涵蓋學科麵較寬的光散射譜學書籍,供學生學習和研究者參考之用。
本書共14章。第1~8章敘述光散射的基本理論,實驗係統和測量方法技術,第9~14章敘述光散射在科學研究和工程技術方麵的應用。
第1章介紹光散射技術和研究的曆史發展,分類簡述瑞利散射、米散射和動態光散射、布裏淵散射、拉曼散射、湯姆孫散射、康普頓散射以及光散射技術的應用。
第2章敘述光散射的經典理論、量子理論和多聲子散射理論。
第3章全麵敘述分子對稱性和光散射的選擇定則。列錶介紹許多分子的所屬點群,實例說明特定點群分子的正則振動模的求解,討論一級、二級拉曼光譜和轉動拉曼光譜的選擇定則。
第4章介紹常規瑞利散射、米散射和動態光散射及其實驗係統。分彆介紹瞭共振瑞利散射、超瑞利散射、受激瑞利散射和時間分辨錶麵波米散射,並以典型的實例討論其應用。
第5章全麵介紹布裏淵散射,分彆討論共振布裏淵散射、受激布裏淵散射、相乾瑞利一布裏淵散射。著重介紹多通串接布裏淵譜儀和磁性膜時間一空間分辨布裏淵光譜儀實驗係統,討論瞭布裏淵散射基本參量及F-P鏡的經驗選擇,
第6章全麵敘述拉曼散射,闡述分子和晶格振動模,拉曼散射張量,一級拉曼和二級拉曼散射。分彆介紹傅裏葉變換拉曼散射、共振和瞬態共振拉曼散射、紫外和紫外共振拉曼散射、共焦成像拉曼和近場光學拉曼散射,討論瞭極化聲子拉曼散射,負摺射率極化聲子色散,單一雙聲子相互作用的費米共振和方諾效應。
第7章介紹光散射實驗係統的激發光源、檢測裝置以及測量方法和技術。錶列瞭光散射譜儀所用氣體、液體、固體激光器以及特殊一類自由電子激光器、自鏇反轉拉曼激光器、色心激光器等激光光源及其重要參量,比較不同色散裝置全息光柵和乾涉濾波器以及不同光電轉換裝置單通道光電倍增管和多通道電荷耦閤器件CCD等裝置的各自特點,介紹光散射的測量組態、波矢依賴關係以及常規、壓力、溫度有關的光散射譜測量方法和技術,
第8章敘述超快過程和非綫性拉曼散射。介紹超快過程的曆史發展和各種非綫性(相乾)拉曼散射,包括納秒皮秒飛秒時間分辨拉曼光譜、受激拉曼散射、超拉曼散射、四光子過程的相乾反斯托剋斯拉曼散射(CARS)、CARS顯微鏡以及泵浦一相乾反斯托剋斯時間分辨拉曼顯微鏡(T-CARS)。
第9章介紹光散射在研究相變和聲子特性方麵的應用。討論瞭光散射研究位移型相變、有序。無序相變、混閤型相變、準彈性散射和中心峰、振幅子和相位子有關的無公度相變等。也介紹瞭量子順電相變的布裏淵散射以及低原子序數材料壓力相變的拉曼散射研究。
第10章介紹拉曼散射研究高溫超導體的結構特性和聲子特性,討論聲子頻率和氧濃度壓力關係、摻雜電荷再分布和相乾峰載流子密度效應;超導能隙、聲子自能和聲子反常效應;電子拉曼散射和雙磁振子拉曼散射。最後介紹新型不含銅超導體的結構和聲子特性。
現代物理基礎叢書·典藏版:固體光譜學導論 作者: [此處填寫作者姓名] 譯者: [此處填寫譯者姓名] 齣版社: [此處填寫齣版社名稱] --- 內容簡介 本書是“現代物理基礎叢書·典藏版”中的一本,專注於固體光譜學這一核心物理學分支。它係統而深入地探討瞭固體材料中光與物質相互作用的基本原理、實驗技術以及對材料結構和性能的深刻洞察。本書旨在為高年級本科生、研究生以及從事凝聚態物理、材料科學、半導體物理、光學工程等領域的研究人員提供一本內容翔實、理論與實驗緊密結閤的權威參考書。 全書共分十一章,結構嚴謹,邏輯清晰,層層遞進: 第一部分:光譜學基礎與晶格振動(第1-3章) 第一章:光譜學的基本概念與微觀圖像 本章首先迴顧瞭電磁波譜的各個區域,並重點聚焦於可見光、紫外光和紅外光在固體研究中的重要性。詳細闡述瞭量子力學中描述光與物質相互作用的基本理論框架,包括偶極近似、躍遷概率的計算,以及選擇定則的物理意義。引入瞭固體的能帶理論作為理解光譜響應的先決條件,特彆是有效質量和有效哈密頓量的概念。 第二章:晶格振動與聲子譜 聚焦於晶格動力學,這是理解紅外和拉曼光譜的基礎。本章從牛頓定律齣發,推導瞭一維和三維周期性晶格的色散關係。詳細討論瞭布洛恩區(Brillouin Zone)的概念,區分瞭聲學支(Acoustic Modes)和光學支(Optical Modes)。重點分析瞭晶格振動的量子化——聲子(Phonon)的概念及其統計特性。最後,建立瞭紅外吸收和拉曼散射與聲子模式的直接聯係,為後續的實驗分析奠定基礎。 第三章:紅外吸收光譜(IR Spectroscopy) 本章深入探討瞭材料對紅外光的吸收機製。討論瞭光學活性和非活性模式的區彆,並解釋瞭如何通過傅裏葉變換紅外光譜(FTIR)實驗技術來測量振動模式的能量和寬度。詳細分析瞭極性晶體中的晶格振動對電場響應的影響(如貝內特-伯恩斯效應)。此外,還涵蓋瞭缺陷和無序麵對紅外光譜的影響,包括局部振動模式的齣現。 第二部分:電子能帶結構的光譜學探測(第4-7章) 第四章:光的吸收與能帶結構 本章是連接電子結構理論與實驗測量的關鍵。闡述瞭光吸收的微觀理論,即直接躍遷和間接躍遷機製,並引入瞭範霍夫奇點(Van Hove Singularities)的概念及其在密度之態(Density of States, DOS)中的重要性。解釋瞭吸收係數 $alpha(omega)$ 如何直接反映瞭費米黃金定律下的電子-空穴對産生過程。 第五章:反射光譜學與色散關係 反射光譜是研究材料光學常數的強大工具。本章詳細介紹瞭剋斯特勒-剋朗尼格變換(Kramers-Kronig Transformation),該方法允許僅通過測量反射率譜,推導齣摺射率和消光係數等所有光學函數。討論瞭不同材料(金屬、半導體、絕緣體)在不同頻率範圍內的反射特性,並分析瞭錶麵等離子激元共振(SPR)在反射光譜中的體現。 第六章:光緻發光光譜(Photoluminescence, PL) 發光光譜是研究電子-空穴復閤過程和材料發光效率的直接手段。本章係統介紹瞭不同類型的發光過程:輻射復閤、非輻射復閤(如俄歇復閤、缺陷捕獲)。詳細區分瞭直接帶隙和間接帶隙半導體中PL的特性。重點講解瞭熒光(Fluorescence)和磷光(Phosphorescence)的差異,以及溫度和載流子濃度對發光強度的影響。 第七章:電子能帶結構的高級探測技術 本章聚焦於探究費米麵附近的電子結構。深入討論瞭角分辨光電子能譜(ARPES)的基本原理和實驗設置,解釋瞭如何直接“成像”電子的色散關係 $E(mathbf{k})$。同時,也概述瞭電場調製光譜學(如吸收邊型變光譜EC/DC)在確定精細結構(如激子吸收邊、缺陷能級)中的應用。 第三部分:散射光譜學與復雜係統(第8-11章) 第八章:拉曼散射理論 本章是關於拉曼散射的全麵理論介紹。詳細解釋瞭湯姆遜散射和拉曼散射的本質區彆,重點闡述瞭極化率張量在描述散射強度和偏振特性中的作用。區分瞭一階、二階拉曼散射,並分析瞭對稱性分析在識彆晶體群和振動模式方麵的不可替代的作用。 第九章:拉曼散射實驗技術與應用 本章側重於實驗操作和具體應用。介紹瞭從可見光到太赫茲波段的拉曼光譜儀器的配置,包括激光源的選擇、光譜儀的設計和探測器的要求。重點討論瞭共振拉曼效應(RRS)的增強機製,以及如何利用拉曼技術研究局域聲子、缺陷誘導模式和界麵聲子。 第十章:非綫性光譜學導論 本章拓展到高光強下物質的光學響應。係統介紹瞭二階非綫性過程,如二次諧波産生(SHG)和和頻産生(SFG)。強調瞭這些非綫性過程的非中心對稱性要求,使其成為研究錶麵、界麵結構和相變的敏感探針。對三階非綫性光學(如四波混頻)的基本原理也進行瞭概述。 第十一章:復雜體係中的光譜學研究 本章將前述理論應用於前沿領域。探討瞭低維材料(如二維材料、量子阱)中的量子限製效應如何改變其光譜特徵。分析瞭磁性材料中的磁振子(Magnon)散射,以及非晶態和玻璃態材料中的局域無序對光譜的影響。最後,展望瞭利用光譜學技術研究拓撲絕緣體和強關聯電子體係的前景。 --- 叢書定位與特色 《現代物理基礎叢書·典藏版》緻力於提供涵蓋現代物理學核心領域的深度參考資料。本書《固體光譜學導論》的特點在於: 1. 理論深度與實驗廣度的完美結閤: 每一章節的理論推導都緊密聯係實際的測量原理和數據解釋。 2. 全麵的光譜學覆蓋: 不僅限於傳統的吸收和發光,還係統涵蓋瞭紅外、拉曼、電子能帶探測以及非綫性光譜等多種重要技術。 3. 嚴謹的物理圖像: 強調從晶格動力學到電子結構轉變的物理圖像構建,而非僅僅羅列公式。 本書是凝聚態物理研究者和工程師的必備工具書。