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第1章　绪论1

1.1　光散射技术和研究的历史发展1

1.2　光散射的分类6

1.2.1　光散射公式6

1.2.2　反射，折射和散射6

1.2.3　光散射的分类7

1.3　瑞利散射，米散射和动态光散射8

1.3.1　瑞利散射8

1.3.2　米散射9

1.3.3　动态光散射9

1.4　布里渊散射9

1.5　拉曼散射11

1.6　汤姆孙散射12

1.7　康普顿散射14

1.8　光散射技术的应用15

参考文献17

第2章　光散射理论20

2.1　光散射截面20

2.1.1　光散射截面20

2.1.2　微分散射截面21

2.1.3　原子散射截面22

2.1.4　斯托克斯和反斯托克斯散射截面关系25

2.1.5　原子散射截面与入射频率的关系26

2.2　光散射频谱-斯托克斯和反斯托克斯频区28

2.2.1 电磁辐射谱28

2.2.2　光散射谱的分布29

2.2.3　光散射频谱范围和能量单位的转换关系29

2.2.4　斯托克斯和反斯托克斯频区30

2.3 光散射谱研究的布里渊区范围和频谱间隙31

2.3.1 光散射研究的布里渊区范围31

2.3.2　光散射谱的频谱间隙32

2.4　光散射谱的基本参量和偏振特性33

2.4.1　光散射谱的基本参量33

2.4.2　光散射谱的偏振特性和退偏度34

2.5　光散射，中子散射和X射线散射比较36

2.6　光散射的经典理论37

2.6.1　电子的极化38

2.6.2　介质的极化38

2.6.3　分子极化的经典光散射40

2.7　光散射的量子理论41

2.7.1　原子的辐射和吸收42

2.7.2　原子和辐射场的相互作用43

2.7.3 电子在辐射场中的相互作用——A2和p·A项对光散射的贡献44

2.7.4　单电子原子跃迁概率46

2.7.5　感应辐射跃迁和多电子跃迁48

2.7.6 电磁场的量子化和矢量势A的驻波，行波表示50

2.7.7　散射算符（散射矩阵）55

2.7.8　瑞利散射的跃迁概率和散射图形规则56

2.7.9　拉曼散射的量子理论和图形规则60

2.8　多声子光散射理论64

2.8.1　纳米晶中的光学声子65

2.8.2　纳米晶多声子拉曼散射理论68

2.8.3　CdSe,PbS纳米晶多声子拉曼光谱70

参考文献73

第3章　分子对称性和光散射选择定则75

3.1　点群和空间群75

3.1.1　群的基本概念75

3.1.2　点群的对称操作76

3.1.3　对称操作之间的关系78

3.1.4　空间群80

3.2　点群的分类和所属点群分子80

3.2.1 Cl,Cs和Ci非轴向群80

3.2.2 Cn,Cnh,Cnv群81

3.2.3　Dn,Dnh,Dnd群82

3.2.4 C∞v和D∞h线性群83

3.2.5 Sn群83

3.2.6 T,Td和Th群84

3.2.7 Oh和O群85

3.2.8 I和Ih群85

3.2.9 所属点群的分子表列86

3.3　点群符号表示和对称操作矩阵表示88

3.3.1　点群符号的熊夫利表示和国际表示88

3.3.2　点群对称操作作用在分子局部原子上的矩阵表示89

3.3.3　点群对称操作作用在分子所有原子上的矩阵表示91

3.4　群的可约不可约表示和直积表示95

3.4.1　群对称类型的表示法（贝特和马利肯表示法）95

3.4.2　马利肯-贝特表示之间的对应关系95

3.4.3　群对称类型（一维至五维）不可约表示和正则振动模96

3.4.4　不可约表示正则振动模的振动组态实例97

3.4.5　群的可约和不可约表示的矩阵形式99

3.4.6　群不可约表示的基本性质和方法100

3.4.7　群的特征标和四个区域的含义102

3.4.8　群的直积表示和操作104

3.5　简正振动及其正则模的求解106

3.5.1　简正振动方程106

3.5.2　简正振动正则模的求解107

3.5.3　正则模的求解实例108

3.6　光散射的选择定则113

3.6.1　单电子原子的跃迁113

3.6.2　拉曼光谱和红外光谱的选择定则115

3.6.3　一级振动拉曼光谱的选择定则116

3.6.4　二级和高级振动拉曼光谱的选择定则116

3.6.5　分子转动拉曼光谱的选择定则117

参考文献118

第4章　瑞利散射，米散射和动态米散射120

4.1　瑞利散射截面120

4.1.1　球形粒子的瑞利散射截面120

4.1.2　单个分子的瑞利散射截面122

4.1.3　双原子分子的瑞利散射123

4.2　共振瑞利散射126

4.3　超瑞利散射127

4.3.1　超瑞利散射分类127

4.3.2　时间分辨飞秒超瑞利散射129

4.3.3　玻色-爱因斯坦凝聚的超辐射瑞利散射130

4.4　受激瑞利散射132

4.5　米散射理论134

4.5.1　单粒子的米散射134

4.5.2　任意形状粒子的米散射137

4.5.3　球形粒子分布系综米散射光学性质139

4.6　时间分辨表面波米散射141

4.7　瑞利散射和米散射的应用实例144

4.7.1　超声风洞气体团簇的瑞利散射144

4.7.2　瑞利散射平面多普勒速度仪145

4.7.3　多波长瑞利-米散射椭圆仪145

4.8　动态光散射147

4.8.1 自相关函数147

4.8.2　光子相关谱仪149

4.8.3　粒子扩散系数和粒径测定150

4.8.4　电泳光散射152

4.8.5　动态光散射应用152

参考文献152

第5章　布里渊散射155

5.1　布里渊散射理论155

5.2　液体和固体的布里渊散射158

5.2.1　液体介质的布里渊散射158

5.2.2　几类材料布里渊散射的附加极化161

5.3　弹性性质和弛豫过程162

5.3.1　弹性常量和声速162

5.3.2　弛豫过程的布里渊光谱164

5.3.3　薄膜的散射几何和体模表面模的波矢速度关系165

5.4　布里渊散射实验系统166

5.4.1　单通布里渊散射实验系统166

5.4.2　法布里-珀罗干涉仪工作原理167

5.4.3　布里渊散射基本参量（自由谱范围，对比度，锐度）和F-P镜经验选择170

5.5　多通和串接布里渊谱仪172

5.5.1　布里渊光谱仪分类172

5.5.2　多通串接布里渊谱仪172

5.5.3　磁性膜时间-空间分辨布里渊光谱仪系统174

5.6　共振布里渊散射176

5.7　受激布里渊散射177

5.7.1　受激布里渊散射压力波177

5.7.2　液体受激布里渊散射178

5.7.3　几类材料的受激布里渊散射性质179

5.7.4　光纤受激布里渊散射180

5.7.5　受激布里渊散射的应用181

5.8　相干瑞利-布里渊散射184

参考文献188

第6章　拉曼散射190

6.1　原子分子基团振动模和晶格振动模190

6.1.1　碳氢原子分子振动模190

6.1.2　基团振动模191

6.1.3　气体的拉曼频率192

6.1.4　有机化合物拉曼振动模193

6.1.5　晶格振动模194

6.1.6　拉曼光谱和红外光谱的比较195

6.2　拉曼张量196

6.2.1　拉曼张量表示196

6.2.2　拉曼模张量表示和多晶粉末材料积分拉曼强度计算199

6.2.3　七个晶系的拉曼张量和二级极化率201

6.2.4　如何运用拉曼张量确定晶体正则振动模203

6.3　一级和二级拉曼散射205

6.3.1　一级拉曼散射图形规则205

6.3.2　二级拉曼散射线型谱和连续谱206

6.3.3　二级拉曼谱的色散关系和态密度208

6.3.4　如何区分一级和二级拉曼谱209

6.4　自发拉曼散射210

6.5　傅里叶变换拉曼散射211

6.5.1　傅里叶变换基本原理211

6.5.2　干涉仪及其工作原理212

6.5.3　单通傅里叶变换拉曼光谱仪214

6.5.4　多通道傅里叶变换拉曼光谱仪215

6.6　共振拉曼散射和紫外共振拉曼散射216

6.6.1　共振拉曼散射原理216

6.6.2　共振拉曼和瞬态共振拉曼光谱218

6.6.3　紫外和紫外共振拉曼光谱219

6.7　共焦拉曼成像和近场光学拉曼光谱221

6.7.1　共焦成像拉曼光谱221

6.7.2　近场光学拉曼光谱——工作模式和应用222

6.8　黄昆方程和LST关系225

6.9　极化声子拉曼散射和负折射率极化声子色散227

6.9.1　不同晶系的极化声子色散特性228

6.9.2　GaF和ZnO的极化声子散射228

6.9.3 SrTiO3同位素替代的极化声子谱229

6.9.4　负折射率极化声子色散230

6.10　声子相互作用的方诺效应和费米共振230

6.10.1　AlPO4声子的费米共振231

6.10.2 BaTiO3,SrTiO3声子的方诺效应231

6.10.3 压力下同位素替代的声子费米共振231

6.10.4　库仑修正的方诺共振232

参考文献233

第7章　光散射光源、检测装置和测量技术237

7.1　激光器谐振腔几何和场模组态237

7.1.1　受激辐射关系237

7.1.2　谱线宽度239

7.1.3　场模组态241

7.1.4　谐振腔几何组态243

7.2　气体、液体和固体激光器244

7.2.1　气体离子和金属蒸气激光器244

7.2.2　固体激光器250

7.2.3　液体激光器——染料激光器和染料253

7.3　特殊激光器255

7.3.1 自由电子激光器255

7.3.2 自旋反转拉曼激光器257

7.3.3　色心（F心）激光器258

7.4　光栅和陷波滤波器259

7.4.1　光栅单色仪259

7.4.2　陷波滤波器260

7.5　单通道光电倍增管和多通道光电转换器件262

7.5.1　光电倍增管262

7.5.2 多通道光电转换器件（SIT,PDA,CID,CCD）262

7.6　光散射组态和压力温度下散射谱测量266

7.6.1　光散射的组态和波矢关系266

7.6.2　压力下光散射谱的测量267

7.6.3　高低温下光散射谱测量268

参考文献269

第8章　超快过程和非线性拉曼散射272

8.1　激光脉冲超快过程272

8.1.1　超快过程的历史发展272

8.1.2　超快过程的重要技术——脉冲调Q锁模和压缩274

8.1.3　超快过程的应用276

8.2　非线性（相干）拉曼散射277

8.2.1　光学非线性过程277

8.2.2　非线性（相干）拉曼散射过程和分类278

8.3　纳秒，皮秒时间分辨拉曼光谱279

8.3.1　纳秒时间分辨拉曼光谱280

8.3.2　皮秒时间分辨拉曼光谱281

8.4　飞秒时域泵浦-探测光谱学283

8.4.1　掺钛蓝宝石飞秒激发光源283

8.4.2　泵浦-探测瞬态光谱284

8.4.3　时间分辨瞬态光栅光谱285

8.4.4　泵浦-相干反斯托克斯时间分辨拉曼光谱287

8.5　受激拉曼散射289

8.5.1　受激拉曼散射基本理论289

8.5.2　受激拉曼散射（SRS）的贝塞尔束泵浦290

8.5.3　受激拉曼效应的拉曼介质294

8.5.4　受激拉曼增益光谱和受激拉曼损失光谱296

8.5.5　飞秒受激拉曼增益297

8.5.6　光声拉曼光谱299

8.6　超拉曼散射300

8.6.1　超拉曼散射的原理300

8.6.2　三光子激发超拉曼散射302

8.7　相干反斯托克斯拉曼散射303

8.7.1 相干反斯托克斯拉曼散射（CARS）304

8.7.2　相干反斯托克斯椭偏（CARE）306

8.7.3 ASTERISK相干拉曼技术307

8.7.4　拉曼感应克尔效应光谱（RIKES）308

8.7.5　光学外差拉曼感应克尔效应光谱（OHD-RIKES）309

8.8　相干反斯托克斯拉曼散射（CARS）显微镜310

8.8.1 CARS显微镜的模式311

8.8.2　CARS显微镜的基本理论312

8.8.3　CARS显微镜的工作原理313

8.8.4 时间分辨CARS显微镜（T-CARS）314

参考文献317

第9章　相变和声子特性322

9.1　相变研究的历史和分类322

9.2　相变的级数和序参量325

9.2.1　一级相变325

9.2.2　二级相变326

9.2.3　高级相变326

9.2.4　相变序参量326

9.3　热释电，压电，铁电，反铁电，铁畸，反铁畸，本征和非本征铁电327

9.3.1 热释电327

9.3.2　压电328

9.3.3　铁电和反铁电328

9.3.4　铁畸和反铁畸330

9.3.5　本征和非本征铁电330

9.4　朗道相变理论330

9.4.1　相变和对称性330

9.4.2　相变序参量330

9.4.3　朗道二级相变理论331

9.5　位移型相变332

9.5.1　软模相变宏观理论332

9.5.2　软模相变微观理论335

9.5.3 位移型相变实例337

9.6　有序-无序相变339

9.7　铌酸锂和钽酸锂的混合型相变341

9.8　准弹性散射和中心峰344

9.9　无公度体系元激发和热力学理论346

9.9.1　无公度元激发——振幅子和相位子346

9.9.2　无公度相变热力学理论和孤立子模型347

9.9.3　位移型无公度体系元激发的位移型特性349

9.9.4　有序-无序无公度体系的应变-序参量相互作用350

9.10　铌酸钡钠晶体无公度相变的布里渊散射351

9.11　量子顺电体的布里渊散射353

9.12　低原子序数材料压力相变的拉曼散射354

参考文献356

第10章　高温超导体的结构和声子特性359

10.1　高温超导的发展及其应用359

10.2　超导材料的基本参量和效应364

10.2.1　零电阻和迈斯纳效应364

10.2.2　第一类和第二类超导体364

10.2.3　超导能隙365

10.2.4　伦敦方程，相干长度和穿透深度365

10.2.5　超导体的同位素效应367

10.3　高温超导体的结构特性和振动谱计算369

10.3.1　高温超导体的晶格结构369

10.3.2　高温超导体的振动对称性375

10.3.3　高温超导体的晶格振动和拉曼谱计算376

10.4　YBaCuO超导体的拉曼光谱和相关特性376

10.4.1　YBa2Cu3O7-δ的拉曼散射376

10.4.2　声子频率和氧浓度、压力关系377

10.4.3　掺杂电荷再分布和相干峰的载流子密度效应378

10.5　高温超导体的结构相变和无公度特性380

10.5.1　YBa2Cu3O7-δ超导体的结构相变381

10.5.2　Bi系和Hg系超导体的结构相变383

10.5.3　BiSrCaCuO超导体的无公度结构383

10.6　高温超导体的能隙，声子自能和声子反常效应383

10.6.1 YBaCuO能隙，声子自能和声子反常特性384

10.6.2 BiSrCaCuO超导体的极化拉曼光谱386

10.6.3 BiSrCaCuO声子自能和声子反常387

10.7 电子拉曼散射和双磁振子拉曼散射391

10.7.1 YBa2Cu3O7-δ超导体电子拉曼散射、能隙和方诺效应391

10.7.2 Bi系铜氧化物超导体的电子拉曼散射和双磁振子拉曼散射393

10.7.3 T1BaCaCuO超导体的电子拉曼光谱和能隙395

10.7.4 Hg系高温超导体的电子拉曼散射、声子相互作用和压力效应397

10.8 新型的不含铜超导体的结构和声子特性401

10.8.1 C36超导体401

10.8.2 WO3不含铜氧化物的超导体402

10.8.3 钙钛矿型MgCNi3超导体403

10.8.4 MgB2超导体403

参考文献406

第11章 半导体材料的光散射411

11.1 半导体晶体的拉曼光谱411

11.1.1 单晶硅和多晶硅膜的拉曼光谱411

11.1.2 单晶硅和GaAs的色散曲线412

11.1.3 GaN掺杂半导体的拉曼光谱413

11.1.4　合金半导体振动谱和异质结界面振动拉曼谱414

11.2 自由载流子运动方程及其浓度的拉曼研究416

11.2.1 自由载流子运动方程416

11.2.2　拉曼光谱测量载流子浓度417

11.3　纳米结构半导体的拉曼散射418

11.3.1 Ge纳米晶的拉曼光谱418

11.3.2 Si纳米线的光学声子限制效应420

11.3.3 Si纳米晶的声学声子限制效应422

11.3.4 GaAs纳米线的拉曼光谱424

11.4 半导体-金属界面声子的拉曼光谱424

11.5 纳米结构自旋反转拉曼散射和声学声子拉曼散射427

11.6 半导体微腔的光散射431

11.6.1 半导体微腔的拉曼散射431

11.6.2 半导体微腔的共振瑞利散射（MCRRS）432

11.7 半导体超晶格和量子阱的拉曼散射435

11.7.1 Gex/Si1-x应变层超晶格拉曼散射436

11.7.2 ZnSe/ZnSxSe1-x应变层超晶格的拉曼散射439

11.7.3　InSb/In1-xAlxSb超晶格的共振拉曼散射442

参考文献445

第12章　表面增强拉曼光谱学450

12.1　表面增强拉曼散射概况450

12.1.1　发展简史450

12.1.2　SERS和常规拉曼散射的比较451

12.1.3　SERS的吸附分子和衬底452

12.1.4　SERS的理论研究453

12.2　SERS经典电磁增强453

12.2.1　单粒子共振模型455

12.2.2　双粒子相互作用模型458

12.2.3　集体共振模型459

12.3 SERS的电荷转移化学增强462

12.3.1 电荷注入金属和从金属抽出463

12.3.2　光子驱动共振电荷转移464

12.3.3　光滑表面的化学增强466

12.4　表面增强拉曼效应的活性衬底和测量技术467

12.4.1　SERS活性衬底系统467

12.4.2　SERS测量技术468

12.5　单分子和单纳米粒子表面增强拉曼散射和巨增强理论470

12.5.1 单分子和单纳米粒子表面增强拉曼光谱470

12.5.2　单分子表面增强拉曼散射理论473

12.5.3　单分子吸附在金属粒子集聚体的巨增强理论474

12.6　针尖增强近场拉曼散射479

12.6.1 针尖增强拉曼散射原理和针尖局域场增强479

12.6.2　针尖增强拉曼技术480

12.6.3　针尖增强拉曼技术的针尖制备481

12.6.4　胸腺嘧啶针尖增强拉曼散射481

参考文献483

第13章　聚合物和液晶的光散射488

13.1　聚合物的发展和分类488

13.2　聚合物振动性质491

13.2.1 一维聚合物491

13.2.2 三维聚合物493

13.2.3 无序聚合物494

13.3 聚合物的静态和动态光散射495

13.3.1　静态和动态光散射的基本原理495

13.3.2　生物聚合物的动态光散射496

13.4　聚合物薄膜纳米结构的布里渊散射和拉曼散射499

13.4.1 聚合物纳米薄膜的布里渊散射499

13.4.2　聚合物膜的时间分辨拉曼光谱501

13.4.3　聚合物-碳纳米管拉曼光谱502

13.5　玻璃相变和声子弛豫503

13.5.1 聚合物薄膜玻璃相变的拉曼光谱503

13.5.2　玻璃相变和声子弛豫的布里渊光谱505

13.6　光散射在聚合物其他研究方面的应用506

13.6.1　分子形态和链结构506

13.6.2　聚合物的反应机制506

13.6.3　聚合物的形态效应507

13.6.4　聚合物的拉伸和挤压效应508

13.6.5　共聚物成分的拉曼光谱测定508

13.6.6　其他效应的光散射研究509

13.7　液晶相分类，结构和对称性509

13.7.1　液晶的分类和结构509

13.7.2　向列型液晶511

13.7.3　胆甾型液晶512

13.7.4　近晶型液晶513

13.7.5 六角相514

13.7.6　蓝相515

13.7.7　重入相516

13.7.8　近晶A多型和无公度相517

13.8　液晶的热力学和光散射理论518

13.8.1 电光效应519

13.8.2　红外吸收519

13.8.3　瑞利散射519

13.8.4　拉曼散射519

13.9　液晶取向序的拉曼散射研究520

13.9.1　液晶的取向序520

13.9.2　液晶取向序的拉曼散射测量521

13.9.3　拉曼强度和取向序522

13.10　液晶相变和构象的拉曼光谱523

13.10.1　8OCB液晶和二聚液晶相变523

13.10.2　MBOPDOB铁电液晶相变和构象变化525

13.11　液晶聚合物在电场下的弹性光散射和非弹性拉曼散射529

参考文献532

第14章　小颗粒、薄膜和一维纳米结构材料的光散射537

14.1　杂质、缺陷和包裹体的晶格振动537

14.1.1　局域模537

14.1.2　质量亏损效应538

14.1.3　共振模539

14.1.4　间隙模和带模539

14.1.5　掺杂的应力效应540

14.1.6　道森包裹体的拉曼光谱541

14.1.7　石英包裹体的拉曼光谱542

14.2　C60的晶格振动和拉曼光谱543

14.2.1　碳和石墨的拉曼光谱543

14.2.2　C60的晶格振动和声子特性543

14.2.3　C60的表面增强拉曼谱546

14.3　碳纳米管的结构和声子特性547

14.3.1　碳纳米管类型547

14.3.2　碳纳米管的拉曼光谱和相关性能548

14.3.3　硼掺杂碳纳米晶管的拉曼散射550

14.3.4　碳纳米管的针尖增强拉曼光谱551

14.4　纳米晶的尺寸效应、应变效应和声子限制效应552

14.4.1 三维至零维的电子态密度552

14.4.2　纳米晶的声子限制模型和经验公式553

14.4.3 TiO2的相结构、声子限制效应和相变的尺寸效应555

14.4.4　CeO2纳米晶的不均匀应变效应559

14.4.5 PbTiO3超细纳米晶相变的尺寸效应和铁电性弱化561

14.5 薄膜的尺寸、应力和电场效应562

14.5.1 PbTiO3膜的铁电弱化、声子硬化和应力效应562

14.5.2 KNO3膜的铁电相的有限尺寸效应566

14.5.3 SrTiO3薄膜一级拉曼散射的应变效应和软模硬化的电场效应569

14.6 磁性膜多层膜和铁磁线阵列布里渊散射572

14.6.1 磁性薄膜中静磁体模、表面模和自旋波的色散572

14.6.2 磁性膜多层膜的布里渊光谱575

14.6.3　铁磁线阵列自旋波激发布里渊光谱577

14.7　一维纳米线、纳米管、纳米棒的声子和光谱学特性580

14.7.1 SnO2纳米线的拉曼声子谱和光致发光谱580

14.7.2 PbTiO3纳米棒的结构和声子软模特性582

14.7.3 BN和C掺杂BN纳米管的拉曼光谱和时间分辨发光光谱584

参考文献586

习题和思考题593

附录597

附录A 点群（包括晶体的32个点群）不可约表示的特征标表597

附录B C60，手性碳纳米管，非手性靠背椅（n,m）和非手性锯齿型（n,0）碳纳米管点群的特征标表613

附录C 材料的弹性常量614

附录D 材料的顺度系数和刚度系数及其变换关系616

附录E 材料的压电应变常数和压电应力常数622

附录F 当前拉曼光谱仪和激光弹性光散射仪625

附录G 铁电、反铁电材料及其居里温度628

附录H 无公度相材料634

附录I 超导材料的相干长度（L），穿透深度（λL），成对特征温度（Tp），相有序温度（Tθ），相变居里温度（Tc）635

附录J 锗硅砷化镓半导体基本参量637

附录K　四面体型和闪锌矿型半导体的有关物理参量638