Спектри кристалів (оптичні) по структурі всілякі. Поряд з вузькими лініями вони містять широкі смуги (відношення частоти n до швидкості світла з від доль до декількох тис. см -1 ) і суцільні області спектру, тис. см -1 (див. Спектри оптичні ) . В інфрачервоної області спектрів поглинання спостерігаються смуги, пов'язані з квантовими переходами між енергетичними рівнями, обумовленими коливальними рухами часток кристала, яким супроводять зміни електричного дипольного моменту: поглинається фотон і народжується квант коливань кристалічної решітки — фонон . Процеси, що супроводяться народженням декількох фононів, «розмивають» і ускладнюють спостережуваний спектр. У реальному кристалі зазвичай є дефекти структури (див. Дефекти в кристалах ) , поблизу них можуть виникати локальні коливання, наприклад внутрішні коливання домішкової молекули. При цьому в спектрі з'являються додаткові лінії з можливими «супутниками», обумовленими зв'язком локального вагання з гратчастими. У напівпровідниках деякі домішки утворюють центри, в яких електрони рухаються на водородоподобних орбітах. Вони дають спектр поглинання в інфрачервоної області, що складається з серії ліній, що закінчуються безперервною смугою поглинання (іонізація домішки). Поглинання світла електронами провідності і дірками в напівпровідниках і металах починається також в інфрачервоної області (див. Металооптика ) . В спектрах магнітоупорядоченних кристалів аналогічно фононам проявляють себе магнони (див. Хвилі спинів ) .
В спектрі розсіяного світла із-за взаємодії світла з коливаннями грати, при яких змінюється полярізуємость кристала, поряд з лінією вихідної частоти n про з'являються лінії, зрушені по обидві сторони від неї на частоту гратчастих коливань, що відповідає народженню або поглинанню фононів (див. Комбінаційне розсіяння світла, мал. 1 ). Акустичні гратчасті коливання приводять до того, що при розсіянні світла на теплових флуктуаціях в центральної (не зміщеною) релєєвськой лінії також з'являються бічні супутники, обумовлені розсіянням на флуктуаціях, що поширюються, щільності (див. Розсіяння світла ) .
Більшість неметалічних кристалів за інфрачервоною областю в певному інтервалі частот прозоро. Поглинання виникає знову, коли енергія фотона стає вистачає велика, щоб викликати переходи електронів з верхньої заповненої валентної зони в нижню частину зони провідності кристала. Спектр цього інтенсивного власного поглинання світла відображує структуру електронних енергетичних зон кристала і тягнеться далі у видимий діапазон, у міру того як «включаються» переходи між ін. енергетичними зонами. Положення краю власного поглинання визначає забарвлення ідеального кристала (без дефектів). Для напівпровідників довгохвильовий кордон області власного поглинання лежить в ближньому інфрачервоної області, для іонних кристалів — в ближньої ультрафіолетової області. Вклад у власне поглинання кристала поряд з прямими переходами електронів дають і непрямі переходи, при яких додатково народжуються або поглинаються фонони. Переходи електронів із зони провідності у валентні зони можуть супроводитися рекомбінаційним випромінюванням.
Електрон провідності і дірка завдяки електростатичному тяжінню можуть утворити зв'язаний стан — екситон. Спектр екситонів може варіюватися від водородоподобних серій до широких смуг. Лінії поглинання екситона лежать в довгохвильового кордону власного поглинання кристала ( мал. 2 ). Екситони відповідальні за електронні спектри поглинання молекулярних кристалів. Відома також екситон люмінесценція .
Енергії електронних переходів між локальними рівнями дефектних центрів потрапляють зазвичай в область прозорості ідеального кристала, завдяки чому вони часто обумовлюють забарвлення кристала. Наприклад, в лужно-галоїдних кристалах збудження електрона, локалізованого в аніонній вакансії (F-центр забарвлення), приводить до характеристичного забарвлення кристала. Різні домішкові іони (наприклад, Тl в КСl) утворюють центри люмінесценції в крісталлофосфорах . Вони дають електронно-коливальні (вібронниє) спектри. Якщо фононна (вібронноє) для електрона взаємодія в дефектному центрі слабка, то в спектрі з'являється інтенсивна вузька бесфононная лінія (оптичний аналог лінії Мессбауера ефекту ), до якої примикає «фононне крило» із структурою, що відображає особливості динаміки кристала з домішкою ( мал. 3 ). Із зростанням вібронного взаємодії інтенсивність бесфононной лінії падає. Сильний вібронная зв'язок приводить до широких безструктурних смуг. Оскільки частина енергії збудження в процесі коливальної релаксації до випромінювання розсівається в останньому кристалі, максимум смуги люмінесценції лежить по довгохвильову сторону від смуги поглинання (правило Стоксу). Інколи до моменту випускання світлового кванта в центрі не встигає встановитися рівноважний розподіл по коливальних підрівнях, при цьому можлива «гаряча» люмінесценція.
Якщо кристал містить як домішки атоми або іони перехідних або рідкоземельних елементів, з недобудованими f- або d-оболонкамі, то можна спостерігати дискретні спектральні лінії, відповідні переходам між підрівнями, що виникають в результаті розщеплювання атомних рівнів внутрішньокристалічним електричним полем (див. Кристалічне поле, Квантовий підсилювач ) .
