斯塔克能级流形 Stark level manifolds

2022-11-10 11:27:42 浏览:400

定义

由于斯塔克效应,能量能级组(例如激光增益介质)可能略有不同。

激光增益介质中使用的原子和离子不仅表现出几个能级,而且表现出斯塔克能级流形,每个能级流形由一定数量的能级组成,具有相同或至少相似的能量。 它们被标记以指示某些量子态。 例如,钠原子最低的三个能级在LS耦合的常用符号中是2S1/22P1/22P3/2。它们都具有2的多重性(2s +1),轨道态S或P (l = 0和l = 1),量子数j = 1/2或j = 3/2。  确切的能量值可以通过电场(斯塔克效应)和磁场(塞曼效应)的影响来修改。

在气体激光器的情况下,原子或离子通常不会受到显着的电场和磁场的影响,因此不会发生斯塔克能级分裂。 然后,人们可能仍然不会完全忽略多个简并能级的存在,而是使用相当简单的物理模型,其中只考虑简并子能级的数量。 (然而,在某些情况下,需要考虑原子运动引起的多普勒效应。

在固态激光增益介质中,原子彼此靠近放置,原子受到电场的影响,电场取决于它们的邻域。 这导致了大量的斯塔克级分裂,即解除了原本存在的水平简并,这可能会对激光操作产生重大影响。 根据具体情况,可以适用不同类型的激光模型:

图1:Yb3+中Yb3+离子的能级:YAG,以及通常的泵浦和激光跃迁。光学跃迁可以发生在不同的子能级对之间。 

  • 在稀土掺杂激光晶体的情况下,通常所有相关原子(或离子)经历相同的邻域,因此具有基本相同的能级结构。 典型的例子是Nd3+:YAG, Nd3+:YLF和Er3+:YAG 。 在光谱测量中,人们可以很容易地识别不同的斯塔克水平。 在物理模型(例如速率方程模型)中,可以包括所有相关水平以及它们之间的转换。
  • 在稀土掺杂激光眼镜以及各种无序激光晶体的情况下,精确的能级能量变化如此之大,以至于光谱学不容易区分不同的能级。 跃迁能强烈重叠,物理模型通常需要将每个斯塔克能级流形作为一个整体,并具有有效的跃迁截面。
  • 在过渡金属掺杂激光增益介质中,电子与声子的强相互作用导致强烈的光谱展宽,因此无法再次解析子能级。

斯塔克水平流形内的种群分布

对于孤立的原子或离子,只要没有额外的效应(例如光场)诱导这些能级之间的跃迁,就可以预期流形中的每个子能级都是静止状态。 当填充特定的子级别时,例如通过支架光泵浦],该人口可能会停留相当长的时间。

在固体介质中,情况完全不同,其中电子不仅与其原子的其他部分相互作用,而且还与其他原子相互作用。 特别是,在用声子描述的量子力学中,晶格振动导致任何流形内子能级之间的快速跃迁。 因此,每个流形内都有非常快速的热化(通常在皮秒时间尺度上),尽管某个流形的总人口可能具有长许多数量级的寿命。 然后,子水平的相对种群数仅由玻尔兹曼分布确定。

出于这个原因,许多固态激光器的激光模型仅处理斯塔克能级流形的种群数(或密度),而不是单个能级。 例如,四能级激光增益介质被理解为四个斯塔克能级流形相关的介质。 假设流形内有准瞬时热化(在大多数情况下是一个非常合理的近似),就可以实现模型的实质性简化。 特别是,吸收和发射跃迁的光谱形状(例如泵浦吸收,荧光和激光跃迁上的受激发射)然后固定。 有时会遇到与这种简单行为的偏差,例如,当光放大器应用于脉冲持续时间低于热化时间的强超短脉冲时。

基于某些进一步的假设,McCumber理论可以进一步用于关联同一对能级流形之间的吸收和发射跃迁的光谱形状。 这通常是固态激光增益介质光谱学中的有用工具,例如用于估计难以直接测量的光谱区域的重吸收强度。

激光器

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