激光與晶體的相互作用

摘 要：人類社會進入21世紀以來，科學技術水平發(fā)展有了質的飛躍。激光與晶體材料之間的相互作用主要包括多光子離化，等離子吸收激光能量等現(xiàn)象。本文以激光的內涵為基礎，分析激光和晶體之間相互作用的非線性現(xiàn)象，以促進微電子和光電子工業(yè)的發(fā)展。

關鍵詞：激光；晶體；相互作用

一、激光概述

（一） 激光發(fā)展歷程

激光是自1960年世界上第一臺紅寶石激光器出現(xiàn)后受到人們的關注，且被越來越多地研究。對激光的研究極大地推動了光物理的發(fā)展。1964年鎖模技術出現(xiàn)后，激光產生的許多非線性現(xiàn)象得以發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)了激光與物質材料相互作用的微擾理論。20世紀70年代，飛秒脈沖激光得以發(fā)現(xiàn)，從此激光進入了飛秒激光技術時代。激光在物理、化學、生物等方面得到廣泛的應用。激光的發(fā)現(xiàn)為人們研究物質新現(xiàn)象、新性質提供了便捷有力的手段，是目前具有尖端前沿性質的科學研究領域，可為未來科學技術實現(xiàn)跨越式發(fā)展奠定基礎。其中飛秒激光極高的峰值功率密度可用于誘導材料的非線性現(xiàn)象的出現(xiàn)，是激光研究的一個極其重要的方面。

（二）激光與晶體相互作用原理

激光與晶體之間相互作用表現(xiàn)為通過二者之間的相互作用機理來改變物質的性狀。激光中超短脈沖激光與晶體材料之間相互作用會出現(xiàn)非線性現(xiàn)象，比如光離效應、等離子吸收激光熱量效應等。超長脈沖激光與晶體之間相互作用是通過使用長脈沖激光對材料進行加工，改變晶體材料的物理形態(tài)，使其從固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，再由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，最后經過物質熱熔環(huán)節(jié)的處理，過濾晶體材料中的雜質，實現(xiàn)對晶體材料的加工。在這個過程中，也能更多地認識到激光本身的特性。在改變晶體材料物理形態(tài)的過程中，長脈沖激光的特性也發(fā)生了改變，更能夠直觀地觀察到晶體材料在長脈沖激光照射下性態(tài)變化的特殊瞬間。超短脈沖激光與晶體材料的相互作用則更為復雜，其中發(fā)生的非線性效應有多種變化，不易直接地得出研究結論。

二、激光與晶體的相互作用分析

對激光與晶體相互作用的研究分析主要從超短激光和超長激光兩個方面進行，分別闡述了超短激光與晶體材料的相互作用，超長激光與晶體材料之間的相互作用。最后構建現(xiàn)階段廣泛使用的Docchio模型對移動損傷的分析，得到高速激光脈沖下對物質損傷的結果，以進一步激發(fā)激光的潛能。

（一）非線性效應

超短脈沖激光與晶體材料之間的相互作用主要是晶體材料對激光的能量吸收，分為線性和非線性吸收兩種狀況。飛秒激光有非常高的峰值和較窄的脈寬，其與晶體材料的相互作用主要表現(xiàn)為非線性效應。

非線性效應包括光離化、隧道離化以及雪崩離化。光離化是指物質中受到束縛的電子直接吸收激光中的能量，使電子由價態(tài)發(fā)展到導態(tài)的過程。根據(jù)激光強度和頻率的不同，光離化和隧道離化的重要程度也不同。

在低頻率、高強度的激光光場中，主要發(fā)生的是隧道離化效應。在隧道離化的過程中，激光的光場直接將受到束縛的電子從原子帶上的庫侖阱上解放，消除庫侖阱。在電場很強的激光中，庫侖阱就可以被消除，使電子通過量子力學的隧道現(xiàn)象穿過短壁壘，成為自由電子。

非線性現(xiàn)象中的雪崩效應要發(fā)生則晶體中必須要帶有相當數(shù)量的導帶電子。導帶電子通過持續(xù)不斷地吸收激光能量，在與光子的相互作用中滿足能量守恒定律。在滿足能量守恒定律過程中，電子要吸收光子能量。在吸收了一定的光子能量后，導帶電子具有了較高能量，能夠與其他電子相碰撞，將另一個價帶電子激發(fā)到導帶電子上，就會形成兩個低動能的導帶電子。這個過程會使得價帶上的導帶電子呈幾何級數(shù)增長，發(fā)生雪崩離化效應。

（二）長脈沖激光與晶體材料相互作用

長脈沖激光與晶體的相互作用主要在于長脈沖激光中導帶電子的雪崩離化使導帶電子的數(shù)量呈幾何級數(shù)增長，導致在激光照射下，激光強度和頻率超過了晶體的承受限度，使得晶體發(fā)生損傷。超長脈沖激光的持續(xù)時間較長，導帶電子有足夠實踐通過電子晶格的耦合將能量通過聲子傳遞到整個電子晶格。這樣晶體材料在吸收長脈沖激光能量時就會發(fā)生損傷，并產生明顯的熱效應。長脈沖激光對晶體材料的照射損傷于能量沉積時間和熱擴散時間長短相關。因此，長脈沖激光對材料的損傷閾值具有不確定性。

此外，在長脈沖激光對晶體產生損傷過程中，如果是缺陷或者不純的晶體材料，則會使晶體材料的導帶電子雪崩離化效應充分進行，對于脈沖寬度只有幾秒或者激光頻率不高的的脈沖也能對晶體材料產生損傷。但如果是有缺陷的晶體材料本身都有較高的導帶電子濃度，晶體材料在大量吸收激光脈沖能量時會導致?lián)p傷閥值大大降低，同時也增加了確定損傷閥值的難度。因此，在研究長脈沖激光與晶體相互作用過程中，導帶電子濃度極為關鍵。若晶體材料因各種原因本身帶有較多的導帶電子，則在激光照射區(qū)域中噶生光損傷的概率就會大大增加。若導帶電子數(shù)量較少，則發(fā)生光損傷的可能性就較小。

（三）Docchio模型

Docchio模型的構建主要是為了用來計算激光照射下光損傷的后果。這一模型的搭建主要依靠激光與晶體相互作用的理論。在這一模型中，通過分析激光和晶體之間的相互作用，了解相互作用的機理和物質之間的局限性，研究改進和完善的方法，得出更為精準的分析結果。通過Docchio模型的對移動損傷的分析，可得出這一結論：如果激光入射強度超過了晶體材料損傷的最大承受限度時，就會出現(xiàn)晶體的光損傷現(xiàn)象。

三、結語

激光和晶體作用研究是目前尖端的科學研究課題，其成果對物理、化學、工程等領域都有巨大的應用價值。其中飛秒激光與晶體之間的非線性效應復雜多變，還需要投入更多的人力、物力和財力加大研究深度，為經濟社會發(fā)展做出更大貢獻，也有利于促進我國尖端科學技術水平的提升，占領國際激光晶體作用研究的制高點。

參考文獻：

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作者簡介：

梁彬（1994-），女，遼寧凌源人，沈陽師范大學物理科學與技術學院物理學專業(yè)。