激光与晶体的相互作用

摘 要：人类社会进入21世纪以来，科学技术水平发展有了质的飞跃。激光与晶体材料之间的相互作用主要包括多光子离化，等离子吸收激光能量等现象。本文以激光的内涵为基础，分析激光和晶体之间相互作用的非线性现象，以促进微电子和光电子工业的发展。

关键词：激光；晶体；相互作用

一、激光概述

（一） 激光发展历程

激光是自1960年世界上第一台红宝石激光器出现后受到人们的关注，且被越来越多地研究。对激光的研究极大地推动了光物理的发展。1964年锁模技术出现后，激光产生的许多非线性现象得以发现，出现了激光与物质材料相互作用的微扰理论。20世纪70年代，飞秒脉冲激光得以发现，从此激光进入了飞秒激光技术时代。激光在物理、化学、生物等方面得到广泛的应用。激光的发现为人们研究物质新现象、新性质提供了便捷有力的手段，是目前具有尖端前沿性质的科学研究领域，可为未来科学技术实现跨越式发展奠定基础。其中飞秒激光极高的峰值功率密度可用于诱导材料的非线性现象的出现，是激光研究的一个极其重要的方面。

（二）激光与晶体相互作用原理

激光与晶体之间相互作用表现为通过二者之间的相互作用机理来改变物质的性状。激光中超短脉冲激光与晶体材料之间相互作用会出现非线性现象，比如光离效应、等离子吸收激光热量效应等。超长脉冲激光与晶体之间相互作用是通过使用长脉冲激光对材料进行加工，改变晶体材料的物理形态，使其从固态变为液态，再由液态变为气态，最后经过物质热熔环节的处理，过滤晶体材料中的杂质，实现对晶体材料的加工。在这个过程中，也能更多地认识到激光本身的特性。在改变晶体材料物理形态的过程中，长脉冲激光的特性也发生了改变，更能够直观地观察到晶体材料在长脉冲激光照射下性态变化的特殊瞬间。超短脉冲激光与晶体材料的相互作用则更为复杂，其中发生的非线性效应有多种变化，不易直接地得出研究结论。

二、激光与晶体的相互作用分析

对激光与晶体相互作用的研究分析主要从超短激光和超长激光两个方面进行，分别阐述了超短激光与晶体材料的相互作用，超长激光与晶体材料之间的相互作用。最后构建现阶段广泛使用的Docchio模型对移动损伤的分析，得到高速激光脉冲下对物质损伤的结果，以进一步激发激光的潜能。

（一）非线性效应

超短脉冲激光与晶体材料之间的相互作用主要是晶体材料对激光的能量吸收，分为线性和非线性吸收两种状况。飞秒激光有非常高的峰值和较窄的脉宽，其与晶体材料的相互作用主要表现为非线性效应。

非线性效应包括光离化、隧道离化以及雪崩离化。光离化是指物质中受到束缚的电子直接吸收激光中的能量，使电子由价态发展到导态的过程。根据激光强度和频率的不同，光离化和隧道离化的重要程度也不同。

在低频率、高强度的激光光场中，主要发生的是隧道离化效应。在隧道离化的过程中，激光的光场直接将受到束缚的电子从原子带上的库仑阱上解放，消除庫仑阱。在电场很强的激光中，库仑阱就可以被消除，使电子通过量子力学的隧道现象穿过短壁垒，成为自由电子。

非线性现象中的雪崩效应要发生则晶体中必须要带有相当数量的导带电子。导带电子通过持续不断地吸收激光能量，在与光子的相互作用中满足能量守恒定律。在满足能量守恒定律过程中，电子要吸收光子能量。在吸收了一定的光子能量后，导带电子具有了较高能量，能够与其他电子相碰撞，将另一个价带电子激发到导带电子上，就会形成两个低动能的导带电子。这个过程会使得价带上的导带电子呈几何级数增长，发生雪崩离化效应。

（二）长脉冲激光与晶体材料相互作用

长脉冲激光与晶体的相互作用主要在于长脉冲激光中导带电子的雪崩离化使导带电子的数量呈几何级数增长，导致在激光照射下，激光强度和频率超过了晶体的承受限度，使得晶体发生损伤。超长脉冲激光的持续时间较长，导带电子有足够实践通过电子晶格的耦合将能量通过声子传递到整个电子晶格。这样晶体材料在吸收长脉冲激光能量时就会发生损伤，并产生明显的热效应。长脉冲激光对晶体材料的照射损伤于能量沉积时间和热扩散时间长短相关。因此，长脉冲激光对材料的损伤阈值具有不确定性。

此外，在长脉冲激光对晶体产生损伤过程中，如果是缺陷或者不纯的晶体材料，则会使晶体材料的导带电子雪崩离化效应充分进行，对于脉冲宽度只有几秒或者激光频率不高的的脉冲也能对晶体材料产生损伤。但如果是有缺陷的晶体材料本身都有较高的导带电子浓度，晶体材料在大量吸收激光脉冲能量时会导致损伤阀值大大降低，同时也增加了确定损伤阀值的难度。因此，在研究长脉冲激光与晶体相互作用过程中，导带电子浓度极为关键。若晶体材料因各种原因本身带有较多的导带电子，则在激光照射区域中噶生光损伤的概率就会大大增加。若导带电子数量较少，则发生光损伤的可能性就较小。

（三）Docchio模型

Docchio模型的构建主要是为了用来计算激光照射下光损伤的后果。这一模型的搭建主要依靠激光与晶体相互作用的理论。在这一模型中，通过分析激光和晶体之间的相互作用，了解相互作用的机理和物质之间的局限性，研究改进和完善的方法，得出更为精准的分析结果。通过Docchio模型的对移动损伤的分析，可得出这一结论：如果激光入射强度超过了晶体材料损伤的最大承受限度时，就会出现晶体的光损伤现象。

三、结语

激光和晶体作用研究是目前尖端的科学研究课题，其成果对物理、化学、工程等领域都有巨大的应用价值。其中飞秒激光与晶体之间的非线性效应复杂多变，还需要投入更多的人力、物力和财力加大研究深度，为经济社会发展做出更大贡献，也有利于促进我国尖端科学技术水平的提升，占领国际激光晶体作用研究的制高点。

参考文献：

[1] 尹传磊，赵全忠.飞秒激光在KCl晶体中诱导色心[J].中国激光，2012.

[2] 高进云，孙敦陆，罗建乔.高浓度Er～（3+）掺杂Y_3Sc_2Ga_3O_（12）晶体的吸收光谱与晶体场模型研究[J].物理学报，2014.

作者简介：

梁彬（1994-），女，辽宁凌源人，沈阳师范大学物理科学与技术学院物理学专业。