关于固体中的光散射介绍

[拼音]：guti zhong de guangsanshe

[外文]：light scattering in solids

光通过光学均匀的介质时，也会发生光的散射。从散射光的频谱看，可分作三种类型：与入射光频率vo基本相同，宽度大致是在10-9～10-4厘米-1 范围间的准d性散射，称瑞利散射。在vo两侧频移在10-2～1厘米-1范围内的一些对称位置上的峰，称布里渊散射。频移在10～104范围间一些对称位置上的峰，称喇曼散射，或组合散射(图1)。通常又把频率低于vo的叫斯托克斯散射，高于vo的叫反斯托克斯散射(见光的散射)。

由于不同类型的散射频移相差很大，观察它们要求用不同的实验技术。喇曼散射光谱可用通常的光栅或棱镜分光技术，采用激光作为光源。布里渊散射可用法布里－珀罗干涉仪观察。现在多采用激光作为光源，而用多通道的法布里－珀罗干涉仪来提高分辨率和反差。瑞利散射的频移对传统的色散分光技术来说太小了，近年发展起来的光频外差方法和相关光谱方法是研究它的有力手段。

正如瑞利(1899)首先提出的，电介质极化率的涨落是引起光散射的原因。在固体介质中，产生极化率涨落的原因很多。例如，介质的d性形变会产生极化率的变化。d性形变在介质中以d性波的形式传播，它引起的光散射可以看做是光在d性波（声波）上的衍射，散射光对入射光的频移等于相应的声波的频率，散射光与入射光波矢之差等于相应的声波的波矢。这就是布里渊散射，是L.-N.布里渊在1922年最先提出来的。用点阵动力学的术语，这便是点阵振动的声频支产生的光散射。点阵振动的光频支也会产生固体的极化率的变化，它引起的光散射的频移相应于光频波的频率。这属于喇曼散射。C.V.喇曼在1928年在液体苯上最先观察到这种散射。同一年，Γ.С.兰茨贝格和Л.И.曼杰斯塔姆在石英晶体中独立地发现了石英的光频波对光的散射。固体中各种其他类型的激发，例如自旋波、等离子振荡、电荷密度波等也都会产生极化率的变化，因此，它们和点阵振动一样，也会引起光的散射。按其频移的大小，分别属于喇曼散射或布里渊散射。但是固体中有一些类型的涨落，例如温度或熵的局部涨落，它们是不会像点阵振动那样，以波的形式传播的，发生这种涨落后它只会随时间单调地衰减。它们引起的光散射便是瑞利散射，散射峰的宽度反映了它的衰减。还有一些强衰减型的序参量的涨落，它产生的也是瑞利散射。上述经典理论分析，把光散射问题归结为各种类型的涨落对介质的极化率的影响，以及该类型的涨落的谱函数。也可以通过把相应的力学量变为量子力学的力学量的方法，把这图像推广为量子理论。

从量子跃迁的角度来认识，固体中的光散射常常主要是一些高阶的量子跃迁过程。以在半导体中点阵振动的喇曼散射为例，它主要的是如下的过程：半导体吸收一个入射光光子，产生一对电子空穴，电子（或空穴）再发射或吸收一个或几个声子，然后，通过发射一个散射光光子而复合（图2）。初态与终态的能量守恒与动量守恒关系给出入射光与散射光的频率与波矢关系。应注意，在高阶量子跃迁过程中，初态与中间态并不要求能量守恒;在上述例子中并不要求产生的电子空穴对的能量与入射光光子能量相同，也不要求电子（或空穴）发射或吸收声子的过程能量守恒。但如果中间态接近于能量守恒时，过程的几率会大大增加。在光散射中，这叫做共振散射。通常的光散射中，发射散射光子的过程主要是自发辐射;但当入射光很强时，一定条件下，也会变成主要靠受激发射。这时把后者叫做受激散射。而把前者叫做自发散射。有时，从光传播的规律着眼，把受激散射叫做非线性散射，自发散射叫线性散射。当然，这种从量子跃迁角度的理论分析与前面从极化率的涨落的角度的分析，实质上是一致的。

光散射可以提供固体的一些很有意义的信息。喇曼散射已成为研究固体物理的一项重要手段，布里渊散射和瑞利散射的应用也变得日益重要。

迄今，多数关于固体的光散射的工作都是研究点阵振动的（见点阵动力学）。

只发射或吸收一个光频声子的光散射称一阶喇曼散射。动量守恒的要求限制这个声子只能是长波(波矢q≈0)的声子。可以从对称性的要求出发，分析出那些对称类型的q=0的光频声子对喇曼散射有贡献;并求出与它们对应的散射张量──描写入射光与散射光偏振方向之间联系的张量──的形式。据此就可以确定一阶喇曼散射中各散射峰对应的点阵振动模式。一阶喇曼散射和红外吸收是测定晶体长波光频声子的标准手段，并且二者常常是互为补充的。图3是硅晶体的实验结果，显示了长波光频声子在三个温度下的一阶喇曼散射。光频声子的频率等于频移，它随温度稍稍变化。利用已知的一些化学键和分子团的振动频率的数据，一阶喇曼散射的结果也常常是猜测晶体的结构的一种参数。极性振动模式（即能产生电偶极矩的振动模式）对光的散射与非极性振动模式有本质上的不同，长波的极性振动模式伴随着宏观的电磁场，产生光散射的除了原子位移引起的极化率的变化外，还有伴随的宏观电磁场引起的极化率的变化。前向小角度的喇曼散射还是研究极化声子──极性振动与磁波的耦合模式──的基本手段。

发射或吸收多个声子的喇曼散射称高阶喇曼散射。和一阶散射不同，它不限于长波声子，原则上可以得到整个布里渊区的声子的信息。对二阶的喇曼散射，利用布里渊区高对称点上声子的对称性，亦可从散射谱中得到高对称点上声子的频率。不过理论分析比较复杂，不如一阶散射那样直接。

利用可调谐的激光光源，可以得到许多半导体晶体的共振喇曼散射，它不仅可以使一些很弱的甚至禁戒的散射加强到可以观察，并且能直接提供布洛赫电子和声子相互作用的信息。

布里渊散射可以测量声频声子的振动频率，因此可以精确地测定晶体的d性张量、压电张量等。

杂质和缺陷破坏了晶体原来的对称性，使一些原来对喇曼散射禁戒的点阵振动模式成为可以观察到的；杂质或缺陷有时还产生局域振动模或共振模，也常常可用喇曼散射观察。研究这些新引入的谱的性质，可得到关于相应的杂质或缺陷的一些信息。利用特殊的实验方法，可以得到表面的喇曼散射谱和表面吸附的分子的喇曼散射谱，喇曼散射也成了研究表面的一种手段。不久前发现粗糙金属表面吸附的分子层的喇曼散射有几个数量级的增强，目前还没有令人满意的理论诠释。

人们早就知道固溶体AxB1-x 或AxB1-xC的点阵振动谱有两类截然不同的类型。一类是只有一套统一的振动谱，符合虚点阵近似的图像。另一类则出现两套点阵振动谱，分别对应于两种组分。可以合理的认为后者是反映了近程的排列成“团”的倾向。喇曼光谱在分析这个问题上有一些独特的优点。

光散射的研究对认识结构相变的本质和动力学作了很有意义的贡献。结构相变中软模的概念便是从石英在相变点附近的喇曼散射谱中首先提出来的。无论是声子软模还是隧道软模，或是合作杨-特勒系统的软电子模，都会在喇曼散射谱上有反映。声频波与软模的耦合在结构相变中也起很重要的作用。布里渊散射是研究它们的有效方法。图4是用布里渊散射测定 KDP晶体d性常数的变化，从而反映铁电相变的例子。许多材料在结构相变时出现很窄的和相当强的准d性散射峰，即所谓中心模。分析中心模的结构是很有意义的工作。临界乳光的现象也许可以说是最早发现的一种临界现象，但是，直到现在在固体相变中的临界乳光现象还是很应当研究的。在某些一阶相变系统中用瑞利散射的方法也得到了关于它的过程的动力学的很丰富的信息。

磁化当然影响材料的极化率，因此，自旋波会对光产生散射。对顺磁介质和铁磁介质，自旋波散射一般是在布里渊散射范围。对反铁磁介质，一般是喇曼散射范围。自旋波的光散射很类似于点阵振动的光散射，也有一阶和二阶散射，亦可通过对称性的分析来确定各种模式的自旋波的频率。磁性杂质和缺陷，磁畴结构等也可用光散射来研究。

晶体中束缚电子能级的喇曼散射，近年来取得了不少研究成果。载流子的等离子振荡的光散射，等离子振荡和点阵振动的耦合模式的光散射，对了解载流子的动力学是有一定意义的。半导体中载流子的自旋反转喇曼散射，已发展成为一种有实际应用的可调谐激光。

在以上的简要的叙述中，略去了一些重要的领域，如量子流体、快离子导体、高聚物、液晶、有机导体中的光散射。而且也完全没谈到正在迅速发展的非线性散射(受激散射、相干散射等)光谱在固体研究中的应用。总之，随着实验技术和新的理论方法和概念的发展，光散射在固体物理（凝聚态物理）中的作用还会有所发展。