四节长波近似.ppt

第四节第四节 长波近似长波近似本节主要内容本节主要内容: :3.4.1 3.4.1 长声学波长声学波3.4.2 3.4.2 离子晶体的长光学波离子晶体的长光学波 §3.4 长波近似3.4.1 长声学波下面以一维双原子链为例讨论下面以一维双原子链为例讨论1.对于声学支格波2.对于连续介质 考虑介质中考虑介质中x与与(x+dx)间长度为间长度为dx的一段，设一维介质的的一段，设一维介质的线密度为线密度为 ，则这段介质的运动方程为：，则这段介质的运动方程为：改用偏微商的符号，则有：改用偏微商的符号，则有：上式是标准的波动方程，其解为：上式是标准的波动方程，其解为：代入得：代入得：由此得弹性波的传播相速度：由此得弹性波的传播相速度：在简单情况下上式中在简单情况下上式中c相当于杨式模量相当于杨式模量恢复力恢复力将上式用于一维复式格子，应变是将上式用于一维复式格子，应变是 其中其中um+1和和um分别是第分别是第m+1个及第个及第m个原子的位移，个原子的位移，a为第为第m+1个及第个及第m个原子平衡时的间距个原子平衡时的间距又又:对一维复式格子，显然密度对一维复式格子，显然密度 为：为：可推知：可推知： 由此可以看出，弹性波的波速与长声学波的波速完全相由此可以看出，弹性波的波速与长声学波的波速完全相等，即长声学波与弹性波完全一样。

等，即长声学波与弹性波完全一样长声学波，格波可以看成连续波，晶体可以看成连续介质3.4.2 离子晶体的长光学波  长光学波，在半波长范围内，正负离子各向相反的方向长光学波，在半波长范围内，正负离子各向相反的方向运动，电荷不再均匀分布，出现以波长为周期的正负电荷集中运动，电荷不再均匀分布，出现以波长为周期的正负电荷集中的区域由于波长很大，使晶体呈现出宏观上的极化，因此的区域由于波长很大，使晶体呈现出宏观上的极化，因此长光学波又称为极化波由两种不同离子组成的一维复式格子由两种不同离子组成的一维复式格子1.黄昆方程有效电场有效电场宏观电场宏观电场宏观极化强度宏观极化强度离子晶体的极化离子晶体的极化离子位移极化离子位移极化电子位移极化电子位移极化 对于长光学波，在相当大的范围内，同种原子的位移相同对于长光学波，在相当大的范围内，同种原子的位移相同，所以离子位移极化强度为：，所以离子位移极化强度为： 对于立方晶格，洛伦兹提出了求解有效电场的方法，由理对于立方晶格，洛伦兹提出了求解有效电场的方法，由理论分析得到：论分析得到：e*为离子的有效电荷量为离子的有效电荷量 一个原胞内正负离子受到有效电场的作用，产生的电子一个原胞内正负离子受到有效电场的作用，产生的电子位移极化强度为：位移极化强度为： 其中其中 为原胞的体积，为原胞的体积， + + ，， - - 分别为正负离子的电位移极化分别为正负离子的电位移极化率，率， 则总的极化强度为：则总的极化强度为：将将 代入，得：代入，得：  =  + + + +   - - 作用在离子上的除了准弹性恢复力以外，还要考虑到有作用在离子上的除了准弹性恢复力以外，还要考虑到有效电场的作用。

效电场的作用则正负离子的运动方程为：则正负离子的运动方程为：再看离子运动方程，我们对一维复式格子的方程再看离子运动方程，我们对一维复式格子的方程由上式由上式 得得:引进位移参量引进位移参量则有则有---黄昆方程黄昆方程 (1) (1)式代表振动方程，右边第一项式代表振动方程，右边第一项 为准弹性恢复力，第为准弹性恢复力，第二项表示电场二项表示电场 附加了恢复力附加了恢复力 (2) (2)式代表极化方程，式代表极化方程， 表示离子位移引起的极化，第表示离子位移引起的极化，第二项表示电场二项表示电场 附加了极化附加了极化 晶体内无自由电荷，得晶体内无自由电荷，得将电场分成有旋场和无旋场两部分，将电场分成有旋场和无旋场两部分，2.LST关系(Lyddane—Sachs—Teller关系)将黄昆方程将黄昆方程 代入得代入得上式的成立条件是：上式的成立条件是：由黄昆方程得：由黄昆方程得：将上式中的有旋场与无旋场分开得到：将上式中的有旋场与无旋场分开得到：由麦克斯韦电磁波理论可知，由麦克斯韦电磁波理论可知，，则上式变为，则上式变为上面两方框中式子均为简谐方程，由此得振动频率上面两方框中式子均为简谐方程，由此得振动频率 为了将系数为了将系数b11，，b21(=b12)和晶体的介电系数联系起来，再和晶体的介电系数联系起来，再考虑两种极端情况：考虑两种极端情况：对于静电场，对于静电场，，则由黄昆方程得：，则由黄昆方程得：将上式与将上式与比较得：比较得：式中式中 s是离子晶体的相对介电常数。

是离子晶体的相对介电常数 对于光频振动，离子的惯性已跟不上如此高频的振动，其对于光频振动，离子的惯性已跟不上如此高频的振动，其位移位移W=0由黄昆方程由黄昆方程(2)式得：式得：式中式中  是离子晶体的光频介电常量是离子晶体的光频介电常量又又---著名的著名的LST关系关系光频介电常量光频介电常量静电介电常量静电介电常量有些晶体在某种温度下，有些晶体在某种温度下，恢复力消失，发生位移的离子回不到原来平衡位置，即晶体结恢复力消失，发生位移的离子回不到原来平衡位置，即晶体结构发生了改变在这一新结构中，正负离子存在固定的位移偶构发生了改变在这一新结构中，正负离子存在固定的位移偶极矩，产生了所谓的自发极化极矩，产生了所谓的自发极化 (2)(2)铁电软模铁电软模( (光学软模光学软模) ) 相当于弹簧振子系统中的弹簧丧失了弹性，即弹簧相当于弹簧振子系统中的弹簧丧失了弹性，即弹簧变软称 的振动模式为的振动模式为铁电软模铁电软模( (或光学软模或光学软模) )。

3.极化声子和电磁声子 因为长光学波是极化波，且只有长光学纵波才伴随着宏观因为长光学波是极化波，且只有长光学纵波才伴随着宏观的极化电场，所以的极化电场，所以长光学纵波声子称为极化声子极化声子 长光学横波与电磁场相耦合，它具有电磁性质，称长光学横波与电磁场相耦合，它具有电磁性质，称长光学横波声子为电磁声子电磁声子。