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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