Holdings: Semiconductor optics

Semiconductor optics:

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Bibliographic Details
Main Author:	Klingshirn, Claus 1944- (Author)
Format:	Book
Language:	English
Published:	Berlin [u.a.] Springer 2005
Edition:	2. ed.
Series:	Advanced texts in physics
Subjects:	Quasi-particules Semiconducteurs - Propriétés optiques Théorie quantique Semiconducteurs > Propriétés optiques Halbleiter Optik Optische Eigenschaft
Online Access:	Inhaltsverzeichnis
Physical Description:	XXV, 797 S. Ill., graph. Darst.
ISBN:	3540213287

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adam_text	CONTENTS 1 INTRODUCTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.1 AIMS AND CONCEPTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 OUTLINE OF THE BOOK AND A LOT OF REFERENCES . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.3 SOME PERSONAL THOUGHTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.4 PROBLEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 REFERENCES TO CHAP. 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2 MAXWELLS EQUATIONS, PHOTONS AND THE DENSITY OF STATES . . . 11 2.1 MAXWELLS EQUATIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.2 ELECTROMAGNETIC RADIATION IN VACUUM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.3 ELECTROMAGNETIC RADIATION IN MATTER; LINEAR OPTICS . . . . . . . . . 17 2.4 TRANSVERSE, LONGITUDINAL AND SURFACE WAVES . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.5 PHOTONS AND SOME ASPECTS OF QUANTUM MECHANICS AND OF DISPERSION RELATIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.6 DENSITY OF STATES AND OCCUPATION PROBABILITIES . . . . . . . . . . . . . . 26 2.7 PROBLEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 REFERENCES TO CHAP. 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3 INTERACTION OF LIGHT WITH MATTER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.1 MACROSCOPIC ASPECTS FOR SOLIDS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.1.1 BOUNDARY CONDITIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.1.2 LAWS OF REFLECTION AND REFRACTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 3.1.3 NOETHERS THEOREM AND SOME ASPECTS OF CONSERVATION LAWS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 3.1.4 REFLECTION AND TRANSMISSION AT AN INTERFACE AND FRESNELS FORMULAE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 3.1.5 EXTINCTION AND ABSORPTION OF LIGHT . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 3.1.6 TRANSMISSION THROUGH A SLAB OF MATTER AND FABRY PEROT MODES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3.1.7 BIREFRINGENCE AND DICHROISM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 3.1.8 OPTICAL ACTIVITY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 XVIII CONTENTS 3.2 MICROSCOPIC ASPECTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 3.2.1 ABSORPTION, STIMULATED AND SPONTANEOUS EMISSION, VIRTUAL EXCITATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 3.2.2 PERTURBATIVE TREATMENT OF THE LINEAR INTERACTION OF LIGHT WITH MATTER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 3.3 PROBLEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 REFERENCES TO CHAP. 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 4 ENSEMBLE OF UNCOUPLED OSCILLATORS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 4.1 EQUATIONS OF MOTION AND THE DIELECTRIC FUNCTION . . . . . . . . . . . . 74 4.2 CORRECTIONS DUE TO QUANTUM MECHANICS AND LOCAL FIELDS. . . . . 77 4.3 SPECTRA OF THE DIELECTRIC FUNCTION AND OF THE COMPLEX INDEX OF REFRACTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 4.4 THE SPECTRA OF REFLECTION AND TRANSMISSION . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 4.5 INTERACTION OF CLOSE LYING RESONANCES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 4.6 PROBLEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 REFERENCES TO CHAP. 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 5 THE CONCEPT OF POLARITONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 5.1 POLARITONS AS NEW QUASIPARTICLES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 5.2 DISPERSION RELATION OF POLARITONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 5.3 POLARITONS IN SOLIDS, LIQUIDS AND GASES AND FROM THE IR TO THE X-RAY REGION. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 5.3.1 COMMON OPTICAL PROPERTIES OF POLARITONS . . . . . . . . . . . . 99 5.3.2 HOW THE K -VECTOR DEVELOPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 5.4 COUPLED OSCILLATORS AND POLARITONS WITH SPATIAL DISPERSION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 5.4.1 DIELECTRIC FUNCTION AND THE POLARITON STATES WITH SPATIAL DISPERSION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 5.4.2 REFLECTION AND TRANSMISSION AND ADDITIONAL BOUNDARY CONDITIONS . . . . . . . . . . . . . . . . 111 5.5 REAL AND IMAGINARY PARTS OF WAVE VECTOR AND FREQUENCY . . . . . 115 5.6 SURFACE POLARITONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 5.7 PROBLEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 REFERENCES TO CHAP. 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 6 KRAMERSKRONIG RELATIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 6.1 GENERAL CONCEPTS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 6.2 PROBLEM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 REFERENCES TO CHAP. 6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 7 CRYSTALS, LATTICES, LATTICE VIBRATIONS AND PHONONS . . . . . . . . 129 7.1 ADIABATIC APPROXIMATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 7.2 LATTICES AND CRYSTAL STRUCTURES IN REAL AND RECIPROCAL SPACE . 131 7.3 VIBRATIONS OF A STRING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 7.4 LINEAR CHAINS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 CONTENTS XIX 7.5 THREE-DIMENSIONAL CRYSTALS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 7.6 QUANTIZATION OF LATTICE VIBRATIONS: PHONONS AND THE CONCEPT OF QUASIPARTICLES . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 7.7 THE DENSITY OF STATES AND PHONON STATISTICS . . . . . . . . . . . . . . . . 148 7.8 PHONONS IN ALLOYS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 7.9 DEFECTS AND LOCALIZED PHONON MODES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 7.10 PHONONS IN SUPERLATTICES AND IN OTHER STRUCTURES OF REDUCED DIMENSIONALITY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 7.11 PROBLEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 REFERENCES TO CHAP. 7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 8 ELECTRONS IN A PERIODIC CRYSTAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 8.1 BLOCHS THEOREM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 8.2 METALS, SEMICONDUCTORS, INSULATORS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 8.3 AN OVERVIEW OF SEMICONDUCTING MATERIALS . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 8.4 ELECTRONS AND HOLES IN CRYSTALS AS NEW QUASIPARTICLES . . . . . . . 172 8.5 THE EFFECTIVE-MASS CONCEPT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 8.6 THE POLARON CONCEPT AND OTHER ELECTRONPHONON INTERACTION PROCESSES . . . . . . . . . . . 177 8.7 SOME BASIC APPROACHES TO BAND STRUCTURE CALCULATIONS . . . . . . 180 8.8 BANDSTRUCTURES OF REAL SEMICONDUCTORS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189 8.9 DENSITY OF STATES, OCCUPATION PROBABILITY AND CRITICAL POINTS . 196 8.10 ELECTRONS AND HOLES IN QUANTUM WELLS AND SUPERLATTICES . . . . . 200 8.11 GROWTH OF QUANTUM WELLS AND OF SUPERLATTICES . . . . . . . . . . . . . . 209 8.12 QUANTUM WIRES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215 8.13 QUANTUM DOTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 8.14 DEFECTS, DEFECT STATES AND DOPING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220 8.15 DISORDERED SYSTEMS AND LOCALIZATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224 8.16 PROBLEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235 REFERENCES TO CHAP. 8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236 9 EXCITONS, BIEXCITONS AND TRIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241 9.1 WANNIER AND FRENKEL EXCITONS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242 9.2 CORRECTIONS TO THE SIMPLE EXCITON MODEL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247 9.3 THE INFLUENCE OF DIMENSIONALITY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250 9.4 BIEXITONNS AND TRIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254 9.5 BOUND EXCITON COMPLEXES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256 9.6 EXCITONS IN DISORDERED SYSTEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257 9.7 PROBLEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259 REFERENCES TO CHAP. 9 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260 10 PLASMONS, MAGNONS AND SOME FURTHER ELEMENTARY EXCITATIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263 10.1 PLASMONS, PAIR EXCITATIONS AND PLASMON-PHONON MIXED STATES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263 10.2 MAGNONS AND MAGNETIC POLARONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268 XX CONTENTS 10.3 PROBLEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270 REFERENCES TO CHAP. 10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271 11 OPTICAL PROPERTIES OF PHONONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273 11.1 PHONONS IN BULK SEMICONDUCTORS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273 11.1.1 REFLECTION SPECTRA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273 11.1.2 RAMAN SCATTERING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275 11.1.3 PHONON POLARITONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277 11.1.4 BRILLOUIN SCATTERING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278 11.1.5 SURFACE PHONON POLARITONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279 11.1.6 PHONONS IN ALLOYS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280 11.1.7 DEFECTS AND LOCALIZED PHONON MODES . . . . . . . . . . . . . . . . 281 11.2 PHONONS IN SUPERLATTICES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282 11.2.1 BACKFOLDED ACOUSTIC PHONONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282 11.2.2 CONFINED OPTIC PHONONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283 11.2.3 INTERFACE PHONONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284 11.3 PHONONS IN QUANTUM DOTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285 11.4 PROBLEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285 REFERENCES TO CHAP. 11 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286 12 OPTICAL PROPERTIES OF PLASMONS, PLASMON-PHONON MIXED STATES AND OF MAGNONS . . . . . . . . . . . . 287 12.1 SURFACE PLASMONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288 12.2 PLASMON-PHONON MIXED STATES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289 12.3 PLASMONS IN SYSTEMS OF REDUCED DIMENSIONALITY . . . . . . . . . . . . 291 12.4 OPTICAL PROPERTIES OF MAGNONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292 12.5 PROBLEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292 REFERENCES TO CHAP. 12 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292 13 OPTICAL PROPERTIES OF INTRINSIC EXCITONS IN BULK SEMICONDUCTORS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295 13.1 EXCITONS WITH STRONG OSCILLATOR STRENGTH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295 13.1.1 EXCITONPHOTON COUPLING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295 13.1.2 CONSEQUENCES OF SPATIAL DISPERSION . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298 13.1.3 SPECTRA OF REFLECTION, TRANSMISSION AND LUMINESCENCE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300 13.1.4 SPECTROSCOPY IN MOMENTUM SPACE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314 13.1.5 SURFACE-EXCITON POLARITONS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321 13.1.6 EXCITONS IN ORGANIC SEMICONDUCTORS AND IN INSULATORS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321 13.1.7 OPTICAL TRANSITIONS ABOVE THE FUNDAMENTAL GAP AND CORE EXCITONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325 13.2 FORBIDDEN EXCITON TRANSITIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331 13.2.1 DIRECT GAP SEMICONDUCTORS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331 13.2.1.1 TRIPLET STATES AND RELATED TRANSITIONS . . . . . . . . 331 13.2.1.2 PARITY FORBIDDEN BAND-TO-BAND TRANSITIONS . . . 332 CONTENTS XXI 13.2.2 INDIRECT GAP SEMICONDUCTORS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335 13.3 INTRAEXCITONIC TRANSITIONS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338 13.4 PROBLEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341 REFERENCES TO CHAP. 13 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341 14 OPTICAL PROPERTIES OF BOUND AND LOCALIZED EXCITONS AND OF DEFECT STATES . . . . . . . . . . . . . . . 345 14.1 BOUND-EXCITON AND MULTI-EXCITON COMPLEXES . . . . . . . . . . . . . . . 345 14.2 DONORACCEPTOR PAIRS AND RELATED TRANSITIONS . . . . . . . . . . . . . . 353 14.3 INTERNAL TRANSITIONS AND DEEP CENTERS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355 14.4 EXCITONS IN DISORDERED SYSTEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356 14.5 PROBLEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361 REFERENCES TO CHAP. 14 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361 15 OPTICAL PROPERTIES OF EXCITONS IN STRUCTURES OF REDUCED DIMENSIONALITY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365 15.1 QANTUM WELLS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365 15.2 COUPLED QUANTUM WELLS AND SUPERLATTICES . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375 15.3 QUANTUM WIRES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382 15.4 QUANTUM DOTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386 15.5 PROBLEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397 REFERENCES TO CHAP. 15 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 398 16 EXCITONS UNDER THE INFLUENCE OF EXTERNAL FIELDS . . . . . . . . . . . 405 16.1 MAGNETIC FIELDS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 405 16.1.1 NONMAGNETIC BULK SEMICONDUCTORS . . . . . . . . . . . . . . . . . . 407 16.1.2 DILUTED MAGNETIC BULK SEMICONDUCTORS . . . . . . . . . . . . . . 412 16.1.3 SEMICONDUCTOR STRUCTURES OF REDUCED DIMENSIONALITY . . 414 16.2 ELECTRIC FIELDS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416 16.2.1 BULK SEMICONDUCTORS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 417 16.2.2 SEMICONDUCTOR STRUCTURES OF REDUCED DIMENSIONALITY . . 420 16.3 STRAIN FIELDS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422 16.3.1 BULK SEMICONDUCTORS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423 16.3.2 STRUCTURES OF REDUCED DIMENSIONALITY . . . . . . . . . . . . . . . . 426 16.4 PROBLEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 427 REFERENCES TO CHAP. 16 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 428 17 FROM CAVITY POLARITONS TO PHOTONIC CRYSTALS . . . . . . . . . . . . . . 433 17.1 CAVITY POLARITONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433 17.1.1 THE EMPTY RESONATOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433 17.1.2 CAVITY POLARITONS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 436 17.2 PHOTONIC CRYSTALS AND PHOTONIC BAND GAP STRUCTURES . . . . . . . . 438 17.2.1 INTRODUCTION TO THE BASIC CONCEPTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . 438 17.2.2 REALIZATION OF PHOTONIC CRYSTALS AND APPLICATIONS . . . . . 442 17.3 PHOTONIC ATOMS, MOLECULES AND CRYSTALS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445 XXII CONTENTS 17.4 FURTHER DEVELOPMENTS OF PHOTONIC CRYSTALS . . . . . . . . . . . . . . . . . 449 17.5 PROBLEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 450 REFERENCES TO CHAP. 17 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 451 18 REVIEW OF THE LINEAR OPTICAL PROPERTIES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453 18.1 REVIEW OF THE LINEAR OPTICAL PROPERTIES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453 18.2 PROBLEM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 456 REFERENCES TO CHAP. 18 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 456 19 HIGH EXCITATION EFFECTS AND NONLINEAR OPTICS . . . . . . . . . . . . . . 459 19.1 INTRODUCTION AND DEFINITION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 459 19.2 GENERAL SCENARIO FOR HIGH EXCITATION EFFECTS . . . . . . . . . . . . . . . . 468 19.3 BEYOND THE ( N ) APPROXIMATIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 471 19.4 PROBLEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 472 REFERENCES TO CHAP. 19 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 472 20 THE INTERMEDIATE DENSITY REGIME . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 475 20.1 TWO-PHOTON ABSORPTION BY EXCITONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 475 20.2 ELASTIC AND INELASTIC SCATTERING PROCESSES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 476 20.3 BIEXCITONS AND TRIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 478 20.3.1 BULK SEMICONDUCTORS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 479 20.3.2 STRUCTURES OF REDUCED DIMENSIONALITY . . . . . . . . . . . . . . . . 489 20.4 OPTICAL OR AC STARK EFFECT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 495 20.5 EXCITONIC BOSEEINSTEIN CONDENSATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 497 20.5.1 BASIC PROPERTIES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 498 20.5.2 ATTEMPTS TO FIND BEC IN BULK SEMICONDUCTORS . . . . . . . . 500 20.5.3 STRUCTURES OF REDUCED DIMENSIONALITY . . . . . . . . . . . . . . . . 505 20.5.4 DRIVEN EXCITONIC BOSEEINSTEIN CONDENSATIONS . . . . . . . . 508 20.5.5 EXCITONIC INSULATORS AND OTHER SYSTEMS . . . . . . . . . . . . . . 509 20.5.6 CONCLUSION AND OUTLOOK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 510 20.6 PHOTO-THERMAL OPTICAL NONLINEARITIES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 510 20.7 PROBLEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 512 REFERENCES TO CHAP. 20 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 512 21 THE ELECTRONHOLE PLASMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 521 21.1 THE MOTT DENSITY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 521 21.2 BAND GAP RENORMALIZATION AND PHASE DIAGRAM . . . . . . . . . . . . . 523 21.3 ELECTRONHOLE PLASMAS IN BULK SEMICONDUCTORS . . . . . . . . . . . . . 529 21.3.1 INDIRECT GAP MATERIALS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 529 21.3.2 ELECTRONHOLE PLASMAS IN DIRECT-GAP SEMICONDUCTORS . . 533 21.4 ELECTRONHOLE PLASMA IN STRUCTURES OF REDUCED DIMENSIONALITY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 542 21.5 INTER-SUBBAND TRANSITIONS IN UNIPOLAR AND BIPOLAR PLASMAS . . . 545 21.5.1 BULK SEMICONDUCTORS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 545 21.5.2 STRUCTURES OF REDUCED DIMENSIONALITY . . . . . . . . . . . . . . . . 546 CONTENTS XXIII 21.6 PROBLEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 548 REFERENCES TO CHAP. 21 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 548 22 STIMULATED EMISSION AND LASER PROCESSES . . . . . . . . . . . . . . . . . . 553 22.1 EXCITONIC PROCESSES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 554 22.2 ELECTRON*HOLE PLASMAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 562 22.3 BASIC CONCEPTS OF LASER DIODES AND PRESENT RESEARCH TRENDS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 563 22.4 PROBLEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 567 REFERENCES TO CHAP. 22 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 567 23 TIME RESOLVED SPECTROSCOPY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 571 23.1 THE BASIC TIME CONSTANTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 572 23.2 DECOHERENCE AND PHASE RELAXATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 578 23.2.1 DETERMINATION OF THE PHASE RELAXATION TIMES . . . . . . . . . 578 23.2.1.1 FOUR-WAVE MIXING EXPERIMENTS . . . . . . . . . . . . . 578 23.2.1.2 OTHER TECHNIQUES AND COHERENT PROCESSES . . . . 596 23.2.2 QUANTUM COHERENCE, COHERENT CONTROL AND NON-MARKOVIAN DECAY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 612 23.2.2.1 MARKOVIAN VERSUS NON-MARKOVIAN DAMPING . . . 612 23.2.2.2 DAMPING BY LO PHONON EMISSION AND OTHER PROCESSES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 614 23.2.2.3 RABI OSCILLATIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 617 23.3 INTRA-SUBBAND AND INTER-SUBBAND RELAXATION . . . . . . . . . . . . . . . 620 23.3.1 FORMATION TIMES OF VARIOUS COLLECTIVE EXCITATIONS. . . . . 621 23.3.2 INTRABAND AND INTER-SUBBAND RELAXATION . . . . . . . . . . . . . 622 23.3.3 TRANSPORT PROPERTIES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 627 23.4 INTERBAND RECOMBINATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 628 23.5 PROBLEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 636 REFERENCES TO CHAP. 23 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 636 24 OPTICAL BISTABILITY, OPTICAL COMPUTING, SPINTRONICS AND QUANTUM COMPUTING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 645 24.1 OPTICAL BISTABILITY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 645 24.1.1 BASIC CONCEPTS AND MECHANISMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 646 24.1.2 DISPERSIVE OPTICAL BISTABILITY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 647 24.1.3 OPTICAL BISTABILITY DUE TO BLEACHING . . . . . . . . . . . . . . . . . 650 24.1.4 INDUCED ABSORPTIVE BISTABILITY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 652 24.1.5 ELECTRO-OPTIC BISTABILITY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 656 24.1.6 NONLINEAR DYNAMICS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 658 24.2 DEVICE IDEAS, DIGITAL OPTICAL COMPUTING AND WHY IT FAILED . . 665 24.3 SPINTRONICS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 669 24.4 QUANTUM COMPUTING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 669 24.5 PROBLEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 670 REFERENCES TO CHAP. 24 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 671 XXIV CONTENTS 25 EXPERIMENTAL METHODS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 675 25.1 LINEAR OPTICAL SPECTROSCOPY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 676 25.1.1 EQUIPMENT FOR LINEAR SPECTROSCOPY . . . . . . . . . . . . . . . . . . 677 25.1.2 TECHNIQUES AND RESULTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 680 25.2 NONLINEAR OPTICAL SPECTROSCOPY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 685 25.2.1 EQUIPMENT FOR NONLINEAR OPTICS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 685 25.2.2 EXPERIMENTAL TECHNIQUES AND RESULTS . . . . . . . . . . . . . . . . 688 25.2.2.1 ONE BEAM METHODS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 688 25.2.2.2 PUMP-AND-PROBE BEAM SPECTROSCOPY. . . . . . . . . 690 25.2.2.3 FOUR-WAVE MIXING AND LASER-INDUCED GRATINGS . . . . . . . . . . . . . . . . . 692 25.3 TIME-RESOLVED SPECTROSCOPY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 697 25.3.1 EQUIPMENT FOR TIME-RESOLVED SPECTROSCOPY . . . . . . . . . . . 697 25.3.2 EXPERIMENTAL TECHNIQUES AND RESULTS . . . . . . . . . . . . . . . . 701 25.3.2.1 LIFETIME MEASUREMENTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 702 25.3.2.2 INTRABAND AND INTERSUBBAND RELAXATION . . . . . . 703 25.3.2.3 COHERENT PROCESSES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 704 25.4 SPATIALLY RESOLVED SPECTROSCOPY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 706 25.4.1 EQUIPMENT FOR SPATIALLY RESOLVED SPECTROSCOPY . . . . . . . 707 25.4.2 EXPERIMENTAL TECHNIQUES AND RESULTS . . . . . . . . . . . . . . . . 709 25.5 SPECTROSCOPY UNDER THE INFLUENCE OF EXTERNAL FIELDS . . . . . . . . . 711 25.5.1 EQUIPMENT FOR SPECTROSCOPY UNDER THE INFLUENCE OF EXTERNAL FIELDS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 712 25.5.2 EXPERIMENTAL TECHNIQUES AND RESULTS . . . . . . . . . . . . . . . . 713 25.6 PROBLEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 716 REFERENCES TO CHAP. 25 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 716 26 GROUP THEORY IN SEMICONDUCTOR OPTICS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 725 26.1 INTRODUCTORY REMARKS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 725 26.2 SOME ASPECTS OF ABSTRACT GROUP THEORY FOR CRYSTALS . . . . . . . . 726 26.2.1 SOME ABSTRACT DEFINITIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 727 26.2.2 CLASSIFICATION OF THE GROUP ELEMENTS . . . . . . . . . . . . . . . . . 727 26.2.3 ISOMORPHISM AND HOMOMORPHISM OF GROUPS . . . . . . . . . . 728 26.2.4 SOME EXAMPLES OF GROUPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 728 26.3 THEORY OF REPRESENTATIONS AND OF CHARACTERS. . . . . . . . . . . . . . . . 733 26.4 HAMILTON OPERATOR AND GROUP THEORY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 738 26.5 APPLICATIONS TO SEMICONDUCTORS OPTICS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 741 26.6 SOME SELECTED GROUP TABLES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 751 26.7 PROBLEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 757 REFERENCES TO CHAP. 26 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 758 27 SEMICONDUCTOR BLOCH EQUATIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 759 27.1 DYNAMICS OF A TWO-LEVEL SYSTEM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 760 27.1.1 WAVE-FUNCTION DESCRIPTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 761 27.1.2 POLARIZATION AND INVERSION AS STATE VARIABLES. . . . . . . . . . 763 CONTENTS XXV 27.1.3 PSEUDO-SPIN FORMULATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 764 27.1.4 LINEAR RESPONSE OF A TWO LEVEL SYSTEM . . . . . . . . . . . . . . 765 27.2 OPTICAL BLOCH EQUATIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 766 27.2.1 INTERBAND SUSCEPTIBILITY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 767 27.3 SEMICONDUCTOR BLOCH EQUATIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 768 27.3.1 EXCITONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 769 27.4 COHERENT PROCESSES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 772 27.4.1 PUMP-PROBE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 772 27.4.2 FOUR-WAVE MIXING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 773 27.4.3 PHOTON ECHO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 773 27.5 PROBLEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 777 REFERENCES TO CHAP. 27 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 778 SUBJECT INDEX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 781
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