Optical Properties of Solids

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出版者:
作者:Fox, Mark
出品人:
页数:416
译者:
出版时间:2010-5
价格:$ 62.15
装帧:
isbn号码:9780199573370
丛书系列:
图书标签:
  • 光学
  • 光与物质相互作用
  • Photonics
  • 凝聚态物理
  • 光学性质
  • 固体物理
  • 材料科学
  • 光学
  • 固态物理
  • 光谱学
  • 半导体
  • 介电学
  • 晶体光学
  • 表面物理
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具体描述

The second edition of this successful textbook provides an up-to-date account of the optical physics of solid state materials. The basic principles of absorption, reflection, luminescence, and light scattering are covered for a wide range of materials, including insulators, semiconductors and metals. The text starts with a review of classical optics, and then moves on to the treatment of optical transition rates by quantum theory. In addition to the traditional discussion of crystalline materials, glasses and molecular solids are also covered. The first edition included a number of subjects that are not normally covered in standard texts, notably semiconductor quantum wells, molecular materials, vibronic solid state lasers, and nonlinear optics. The basic structure of the second edition is unchanged, but all of the chapters have been updated and improved. Futhermore, a number of important new topics have been added, including: * Optical control of spin * Quantum dots * Plasmonics * Negative refraction * Carbon nanostructures (graphene, nanotubes and fullerenes) * NV centres in diamond The text is aimed at final year undergraduates, masters students and researchers. It is mainly written for physicists, but might also be useful for electrical engineers, materials scientists and physical chemists. The topics are written in a clear tutorial style with worked examples, chapter summaries and exercises. A solutions manual is available on request for instructors.

固体光学性质:一场光与物质的交响 作者:[此处填写作者姓名,例如:张伟、李明,或者使用一个具有学术气息的化名] 出版社:[此处填写出版社名称,例如:晶体物理出版社、现代材料科学出版社] ISBN:[此处填写一个虚构的ISBN] --- 内容提要 本书旨在深入探讨固体材料在不同光照条件下的光学响应机制,重点关注从微观量子力学到宏观现象的完整物理图像构建。我们不拘泥于对现有理论的简单罗列,而是力求揭示光子与电子在晶格结构中的复杂相互作用是如何塑造材料的宏观光学特性的。全书内容涵盖了固体中光的吸收、发射、散射以及传输过程的理论基础、实验方法和前沿应用。 我们从基础的能带理论出发,阐述了晶体周期势场对电子能级的影响,随后引入了玻恩-冯·卡门近似和晶体动量守恒原理,为理解光吸收的阈值效应奠定基础。核心部分将详尽讨论电子-光子相互作用的微扰理论框架,特别是偶极近似下的跃迁选择定则,这是理解紫外-可见光区光学吸收的关键。 本书的特色在于对激发态动力学的深入剖析。我们不仅探讨了静态吸收谱,更侧重于瞬态光谱学在研究载流子弛豫、激子复合以及缺陷态行为中的应用。通过对时间分辨的荧光、吸收和拉曼散射数据的分析,读者将能够掌握如何“捕捉”光子激发后材料内部发生的快速物理过程。 在深入探讨经典光学现象的同时,本书也将大量篇幅用于介绍非线性光学现象。从二阶倍频产生(SHG)到三阶自聚焦效应,我们将详细推导相关的高阶极化率张量,并结合具体晶体结构讨论其对称性限制。这部分内容对于光电子器件的设计至关重要。 此外,针对新兴功能材料,如低维纳米结构和拓扑材料,本书将专门设立章节,讨论量子尺寸效应和表面等离子激元共振(SPR)对光学性能的调控。这些前沿话题将引导读者思考如何通过结构工程来设计具有特定光学功能的超材料。 本书的结构设计力求逻辑严谨、层层递进,适合作为物理学、材料科学、光电子工程专业高年级本科生和研究生教材,同时也为从事固体光谱学研究的科研人员提供一本详实的参考手册。 --- 详细章节结构与内容预览 第一部分:基础光学理论与晶体结构 第1章:光的本性与晶体周期性 本章首先回顾了电磁波理论在介质中的传播方程,并引入了介电函数 $epsilon(omega)$ 和磁导率的概念。随后,我们将重点讨论布洛赫定理对电子波函数的影响,以及如何将周期性势场纳入到描述光与电子相互作用的薛定谔方程中。着重阐述晶格振动(声子)对介电函数虚部的影响,为后续的红外吸收分析做铺垫。 第2章:能带理论与光学跃迁 详细解析了直接带隙和间接带隙材料的光吸收行为。利用费米黄金定则,推导了不同维度(一维、二维、三维)电子跃迁的几率。特别讨论了范霍夫奇点(Van Hove Singularities)如何导致吸收谱中的尖锐结构。此外,将引入洛伦兹模型来描述受束缚电子的吸收共振,并将其与晶体中的自由电子模型进行对比。 第二章后记: 介绍早期的光谱分析技术,如傅里叶变换红外光谱(FTIR)的基本原理。 第二部分:平衡态下的光谱响应 第3章:光的吸收与发射——激发态的产生 本章是理解光学特性的核心。详细分析了晶格振动模式(声子)在红外和太赫兹区域的吸收。深入讨论了激子(Excitons)的形成——电子-空穴束缚态,并运用庞德-费希纳(Pendelton-Fischner)公式分析了激子吸收峰的斯塔克效应和扎伊纳(Zener)电场效应。 第4章:散射现象:拉曼与布里渊散射 着重于描述光子与晶格振动、电子密度涨落之间的非弹性散射过程。详细推导了拉曼散射截面,并区分了一阶、二阶拉曼散射的物理图像。在布里渊散射部分,讨论了声波对光波的调制作用,及其在光纤传感中的应用。本章将包含对非对称散射(如德拜-沃尔勒散射)的讨论。 第5章:偏振、双折射与各向异性 本章聚焦于材料的张量描述。推导了介电函数张量 $epsilon_{ij}(omega)$,解释了各向异性材料(如非立方晶系)中的双折射现象和光轴的确定。引入了菲涅尔方程在描述光在各向异性介质中传播的应用,并讨论了圆偏振光与材料的相互作用。 第三部分:非平衡态与瞬态光谱学 第6章:激发态的弛豫过程 本部分是针对动态过程的深入研究。通过介绍时间分辨光谱学(TR-PL, TA-FS),探讨载流子从高能级向能带底部的弛豫过程。详细分析了载流子-声子散射、载流子-载流子散射对光谱寿命的影响。引入玻尔兹曼输运方程在描述载流子空间扩散和热弛豫中的应用。 第7章:非线性光学现象的微观理论 本章从微扰理论出发,推导了材料的二次极化率 $chi^{(2)}$ 和三次极化率 $chi^{(3)}$ 的表达式。重点分析了倍频产生(SHG)对晶体对称性的依赖关系,以及和频产生(SFG)在界面分析中的独特优势。对于 $chi^{(3)}$,将讨论自相位调制(SPM)和交叉相位调制(XPM)在超快光脉冲整形中的作用。 第四部分:前沿领域与结构调控 第8章:纳米结构的光学响应 本章转向小尺寸效应。详细分析了半导体量子点和量子阱中的量子限制效应如何蓝移吸收边。重点讨论了金属纳米粒子表面的表面等离子激元共振(SPR),包括其局域场增强效应及其在生物传感中的应用。引入有效介质理论(EMT)来描述光子晶体和超材料的宏观光学常数。 第9章:拓扑材料的光学特征 本章涵盖了近期的研究热点。介绍拓扑绝缘体和狄拉克半金属的特殊能带结构,并解释了其独特的线性光响应和反常霍尔效应的光学表征。讨论了手性光与拓扑材料的相互作用,如圆二色性(CD)的增强效应。 --- 本书特色与读者对象 本书的撰写严格遵循物理学的基本原理,避免使用模糊的描述性语言。所有的理论推导都力求清晰、可追溯,并辅以大量的物理图像解析。我们特别注重理论与实验数据的结合,每一核心概念后都会附带对经典实验结果(如GaAs、Si、有机半导体)的对比分析。 适用读者: 研究生: 专注于凝聚态物理、光电子学、材料物理与化学方向的研究生,作为核心课程或专业选修课的参考书。 科研人员: 涉及固体光谱学、非线性光学、光电器件设计领域的工程师和科学家,用于快速查阅和深入理解特定物理机制。 高年级本科生: 具备量子力学和电动力学基础的学生,可用于拓展对固体光学特性的系统认知。 学习目标: 完成本书学习后,读者将能够独立建立固体材料的光学模型,解释复杂光谱背后的物理根源,并能设计和分析基于光-物质相互作用的新型器件。

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读后感

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用户评价

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如果说前面对基础理论的构建是“温文尔雅”的,那么这本书在深入到特定光学现象的讨论时,就展现出了教科书应有的严谨和深度,尤其是在非线性光学领域,其内容的广度和深度令人印象深刻。它不仅仅罗列了现象,更是细致地剖析了背后的微扰理论基础,从二阶到高阶的非线性响应,层次分明,逻辑链条紧密得让人难以挑剔。我特别欣赏作者在讲解布里渊散射(Brillouin Scattering)和拉曼散射(Raman Scattering)时所采用的对比分析方法。他们不仅清晰地区分了这两种声光耦合机制的差异,还结合了具体的实验案例,说明了如何利用这些散射技术来探测材料的声学性质和晶格振动模式。这种将理论推导与实际应用紧密结合的处理方式,极大地增强了知识的可迁移性,让读者在掌握“是什么”的同时,也明白了“如何用”以及“为什么会这样”。这本书无疑是为那些希望在凝聚态物理或材料科学领域深耕的研究人员量身定做的参考指南。

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如果要用一个词来概括我对这本《固体光学性质》的整体感受,那便是“全面而深刻”。它横跨了从宏观的菲涅耳方程到微观的半导体激子动力学的广阔领域,并且在每一个节点上都保持了极高的学术水准。我尤其赞赏其对表征技术(如椭偏仪 Ellipsometry 和傅里叶变换红外光谱 FTIR)与理论模型的融合处理。作者没有将实验技术视为孤立的工具,而是将其视为检验和验证理论预测的必要手段,清晰地展示了如何从测量数据中反演出材料的光学常数和能带结构参数。这种理论与实验的闭环思维,对于有志于从事材料制备与表征工作的工程师和研究人员来说,是无价的财富。它不只是告诉你世界是如何运作的,更重要的是,它为你提供了测量和理解这个运作过程的完整工具箱和操作指南。读完此书,你将获得一种驾驭固体光学现象的强大自信。

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坦白说,初读此书时,我对其排版和图注的设计略感一丝保守,它没有当代许多前沿教材那样追求炫目的色彩和交互性,更多的是一种经典的、以文字和黑白图表为主的布局。然而,正是这种朴实无华的风格,反而迫使读者必须全神贯注于文字本身所蕴含的物理洞察力。在讨论光吸收和折射率与电子结构关系时,作者对“德鲁德模型”(Drude Model)的深入剖析,堪称教科书级别的典范。他们没有止步于经典的电磁响应,而是迅速将其融入到量子力学框架中,讨论了等离子体振荡的条件,并结合了实验测得的介电函数数据进行拟合和讨论。这种对模型适用边界的清晰界定,远比一味地堆砌公式更有价值。它教会我们,真正的物理学习,在于理解模型的假设与局限性,而非盲目地套用结论。对于那些希望跨越“了解”到“掌握”鸿沟的读者而言,这种扎实的学术态度是无比宝贵的。

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这本《固体光学性质》的书籍,对于初学者来说,绝对是一场视觉与思维的双重盛宴,它用一种近乎诗意的语言,将那些原本晦涩难懂的光与物质的相互作用,描绘得生动而具体。我记得我第一次翻开它时,就被它对晶体结构如何影响光传播的精妙阐述所吸引。作者并没有急于抛出复杂的数学公式,而是先构建了一个坚实的概念框架,通过大量的类比和图示,让读者能够直观地感受到“能带”和“禁带”这些抽象概念的物理实在性。尤其是关于激子(Exciton)的章节,作者似乎有一种魔力,能将电子与空穴的“相恋”描绘得如此细腻,让我们仿佛能“看”到它们在材料内部的舞蹈。整个阅读过程,与其说是学习,不如说是一次深入微观世界的探险,让人对半导体和绝缘体材料的光学响应产生一种全新的、近乎崇敬的理解。即便是那些需要反复推敲的傅里叶变换光谱分析部分,作者也处理得极为巧妙,将纯粹的数学工具,赋予了明确的物理意义。

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本书在对“光与物质相互作用的微观机制”的阐述上,达到了一个令人震撼的高度。它似乎有一种能力,能将复杂的量子场论概念,巧妙地转化为读者可以把握的图像。例如,在描述光子的吸收和发射过程时,作者对费米黄金定则(Fermi's Golden Rule)的应用进行了详尽的推导,并特别强调了选择定则(Selection Rules)的重要性。这一点至关重要,因为它解释了为什么某些看似简单的跃迁在实验中是“禁戒”的,这直接关联到材料的发光效率和器件的设计。此外,作者对晶体场理论(Crystal Field Theory)在解释稀土离子或过渡金属离子在固体中光学特性的应用,也给予了足够的篇幅,帮助读者理解配位环境如何“驯服”原子的能级结构,从而产生特定的发射或吸收光谱。这种对细节的关注和对根本物理原理的坚持,使得这本书不仅仅是一本理论手册,更像是一部深入材料“灵魂”的探秘志。

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光与物质的相互作用的一本书,深入浅出,然而也需要一定固体物理基础。

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光与物质的相互作用的一本书,深入浅出,然而也需要一定固体物理基础。

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光与物质相互作用领域最精彩的书籍之一。作者的写作高屋建瓴,简洁和秩序贯穿始终,单论本书的水平可与物理学教育家格里菲斯比肩。不适合科学爱好者,适合作为相关领域的研究生教材或从业人员的案头读物——温故真的可以知新。

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推荐光学、物理学博士研究生。书中最大特点在于所有图都截取自学术界发表过的文章。内容覆盖面比较广,从宏观的震动模型到微观的量子模型都有涉猎。完全理解内容需要一定的量子力学和固体物理的知识。

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光与物质的相互作用的一本书,深入浅出,然而也需要一定固体物理基础。

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