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《半导体物理与器件》实验指导书 Semiconductor Physics and devices 课程编号： 学时： 45 学分：3 先修课程：普通物理、量子力学、半导体物理 适用专业：光电信系科学与工程 一、实验目的 1、了解拉曼散射的基本原理； 2、学习使用拉曼光谱仪测量物质的谱线，知道简单的谱线分析方法。 二、实验原理 当波束为的单色光入射到介质上时，除了被介质吸收、反射和透射外，总会有一部分被散射。按散射光相对于入射光波数的改变情况，可将散射光分为三类：第一类，其波数基本不变或变化小于，这类散射称为瑞利散射；第二类，其波数变化大约为，称为布里渊散射；第三类是波数变化大于的散射，称为拉曼散射；从散射光的强度看，瑞利散射最强，拉曼散射最弱。 在经典理论中，拉曼散射可以看作入射光的电磁波使原子或分子电极化以后所产生的，因为原子和分子都是可以极化的，因而产生瑞利散射，因为极化率又随着分子内部的运动（转动、振动等）而变化，所以产生拉曼散射。 图（ 图（1a） 图（1b） （上能态是虚能态，实际不存在。这样的跃迁过程只是一种模型实际并没有发生） 在量子理论中，把拉曼散射看作光量子与分子相碰撞时产生的非弹性碰撞过程。当入射的光量子与分子相碰撞时，可以是弹性碰撞的散射也可以是非弹性碰撞的散射。在弹性碰撞过程中，光量子与分子均没有能量交换，于是它的频率保持恒定，这叫瑞利散射，如图（1a）；在非弹性碰撞过程中光量子与分子有能量交换，光量子转移一部分能量给散射分子，或者从散射分子中吸收一部分能量，从而使它的频率改变，它取自或给予散射分子的能量只能是分子两定态之间的差值，当光量子把一部分能量交给分子时，光量子则以较小的频率散射出去，称为频率较低的光（斯托克斯线），散射分子接受的能量转变成为分子的振动或转动能量，从而处于激发态，如图（1b），这时的光量子的频率为；当分子已经处于振动或转动的激发态时，光量子则从散射分子中取得了能量（振动或转动能量），以较大的频率散射，称为频率较高的光（反斯托克斯线），这时的光量子的频率为。如果考虑到更图2 斯托克斯线 瑞利线 反斯托克斯线 图2 斯托克斯线 瑞利线 反斯托克斯线 最简单的拉曼光谱如图2所示，在光谱图中有三种线，中央的是瑞利散射线，频率为，强度最强；低频一侧的是斯托克斯线，与瑞利线的频差为，强度比瑞利线的强度弱很多，约为瑞利线的强度的几百万分之一至上万分之一；高频的一侧是反斯托克斯线，与瑞利线的频差亦为，和斯托克斯线对称的分布在瑞利线两侧，强度比斯托克斯线的强度又要弱很多，因此并不容易观察到反斯托克斯线的出现，但反斯托克斯线的强度随着温度的升高而迅速增大。斯托克斯线和反斯托克斯线通常称为拉曼线，其频率常表示为，称为拉曼频移，这种频移和激发线的频率无关，以任何频率激发这种物质，拉曼线均能伴随出现。因此从拉曼频移，我们又可以鉴别拉曼散射池所包含的物质。 三、实验装置 高压电源 高压电源 单色仪 光电倍增管 驱动电路 光子计数器 计算机 激光器 凹面镜 样品 图3 (1) HN1200型激光器 （2）样品照明入射光路： 2-1 转向棱镜及调节架； 2-2振旋转器； 2-3焦透镜及其调节架； 2-4射光凹面反射镜及其调节架； （3 ）品信息收集光路: 3-1光凹面反射镜及其调节架； 3-2. 集光镜及其调节架； 3-3. 检偏器 （4）样品台部分: 4-1. 五维精密调节样品平台； 4-2. 垂直毛细管样品架； 4-3. 水平毛细管样品架； 4-4. 斜入射样品架； 4-5. 背散射样品架； 4-6. 固体样品架 （5）单色仪 四、实验步骤 （1）利用水准器，通过调节实验台的地脚螺丝，使基础板平面处于水平状态。 （2）调节激光器光束的出射方位和转向棱镜三个调节螺丝(一个调水平方问移动，二个调俯仰)，使激光束正好穿过装在偏振旋转器上的光档孔。此时入射激光束已调垂直并正好处于样品照明位置。至此，样品照明用激光已调整完毕。 （3）为联接外光路与光谱仪，首先应把金属光栏板安在集光镜座上。然后使一光束(如He-Ne激光束，小激光器)正好通过上述光档板的中心孔和固定在样品平台支座上的光栏孔。这时，该水平激光束应正好与垂直入射的样品照明激光束相交。然后，通过调节光谱仪的准直管光轴与该水平光束共轴。此时，即完成了联接外光路与光谱仪的调整工作。在装上有关光学件和样品架后，外光路即进入工作状态。 （4）集斯托克斯区和反斯托克斯区拉曼区拉曼散射图，并对其进行分析 五、实验数据与实验报告 分析实验数据，得出结论，编写实验报告 六、调整和使用中注意事项: 光学件表面蒸镀有增