第4章激光频率微调的机理研究

4.1物质对激光的反射和吸收

  这个章节主要讲关于激光频率微调的机理研究。而第一小节就从物质对激光的反射和吸收开始讲起。

  激光束入射到材料表面,在材料表面会发生反射、散射、吸收等,要进行激光辐射的热效应理论计算,首先要知道有多少辐射能量被材料吸收。对于透明或半透明的材料,需要测量材料的反射率和透射率,而对于不透明材料,只需要测量其反射率就足够了。

  从微观来看,激光对物质的作用是高频电磁波对物质中自由电子或束缚电子的作用,物质对激光的吸收与物质结构和石英晶振电子能带结构有关。金属中存在大量的自由电子,在激光作用下这些自由电子受到光频电磁波的强迫振动而产生次波这些次波形成了强烈的反射波和较弱的透射波,透射部分将被电子通过轫致辐射过程而吸收,继而转化为电子的平均动能,再通过电子与贴片晶振晶格之间的驰豫过程转变为热能。

  非金属与金属不同,它对激光的反射比较低,对应的吸收比较高。电介质对激光吸收与束缚电子的极化,单光子或多光子吸收,以及多种机制的非线性光学效应有关。透明电介质表面或体内的杂质和缺陷往往强烈吸收激光,成为破坏的根源。半导体对激光的吸收有多种机制,以本征吸收最为重要,产生的电子一空穴对很快通过无辐射跃迁复合,将吸收的光能转变为热能。等离子体是特殊条件下存在的电离气体,蒸气等离子体对激光有很强的吸收作用。

4.1.1折射率和吸收系数

  光波(电磁辐射)在不带电的、各向同性的导电媒质中传播时,服从麦克斯韦方程组。由麦克斯韦方程组出发可得

式中,激光在介质中的电场强度为E,E。和是自由空间的介电常数和磁导率,E,是媒质的相对介电常数,σ是媒质的电导率。对于磁场强度H也可获得类似的议程。

  现考虑沿x方向传播的平面电磁波,取E的一个分量E,其表示式为

式中E。为E的石英晶体谐振器振幅,a为角频率,y为平面波沿x方向的传播速度。(4.12)式代入到(4.1.1)式,得

  因为光波在媒质中的传播速度v应等于c/N,其中N是媒质的折射率,c是真空中光束,因此,有

显然,当a≠0时,N为复数,设

  对于磁场强度分量H,可得出相似的式子

  从上述两个式子得知,σ≠0时,光波以c/h的速度沿x方向传播,其振幅按eˉmxe的形式下降。这里n是通常的折射率,而x则是表征光能衰减的量称为消光系数。因此,光强按e2mx衰减,即

  引入比例系数a,得:=-aI,积分可得:

  a称为媒质的吸收系数,它的物理意义是:光在媒质中传播1/α距离时能量减弱到原来能量的1/e。将(4.1.8)、(4.1.9)式相比,得吸收系数：

并求解方程组得:

  当σ=0时,n=√G,,κ≈0。这说明对于非导电性材料,没有光吸收,材料为透明状。在电介质中,电磁波没有衰减地传播;而在导电媒质中,如在金属的石英晶体振荡器和半导体中,波的振幅随着透入的深度而减小,即存在光吸收。