亚稳态 Metastable states

2022-11-09 11:27:43 浏览:298

定义

激发态(特别是激光增益介质中的电子态),由于缓慢的辐射和非辐射衰减而具有相对较长的寿命。

介稳态是激发态,例如具有相对较长寿命的原子或离子,仅由微弱的自发发射产生。 虽然在许多情况下,被激发的原子在短短几纳秒内通过自发发射跃迁到其低洼状态之一,但在某些情况下,这种跃迁是“禁止的”(或仅“弱允许”),因为某些对称性禁止通常占主导地位的偶极子与电磁场相互作用。 在这种情况下,自发发射只能基于更复杂的过程,如四极相互作用,这些过程要弱得多。 因此,关卡生存期可以比平时长得多,例如几毫秒而不是几纳秒。

固态增益介质的介稳态

固态增益介质通常具有亚稳电子态作为上激光能级,并且通常具有一些额外的介稳态(能级)。 上层状态寿命,即上层激光电平的寿命,可以是微秒甚至毫秒——例如,掺铒光纤放大器通常约为 8-10 毫秒,掺镱激光增益介质约为 1-2 毫秒。

请注意,在固态介质中,弱自发发射并不是长水平寿命的唯一条件;此外,要求没有实质性的非辐射跃迁,例如以多声子跃迁或由某些杂质引起的淬灭的形式。

图1:ZBLAN氟化纤维中铥(Tm3+)离子的能级谱。3H43F4和1G4水平为亚稳态 

例如,图1显示了铥(Tm3+) 离子。 在具有非常低声子能量的氟化物纤维中,水平3H43F4和1G4是亚稳态的,而例如3H5通过多声子过程淬灭,将离子转移到3H4。这些情况使得将铥离子有效地泵入1G4水平,可以从那里发出蓝光。 这在一些上变频光纤激光器中被利用。 对于二氧化硅纤维中的铥离子,3F4寿命要短得多,因为多声子过程要强得多。 因此,石英光纤不能用于这种上转换激光器。

在亚稳态中捕获激光活性原子或离子

在某些激光器中,激光活性原子或离子可以捕获在某些亚稳态中是一个问题。 在第一种情况下,较低的激光水平是亚稳态,激光辐射可以从中被重新吸收。 然后,一个具有自终止激光跃迁,并且激光器可能仅适用于脉冲操作。

在其他情况下,处于亚稳态的原子不会干扰激光过程,但也不能参与其中。 当太多人被困在这种状态中时,这可能是有害的。

有时,人们会采取额外的措施来避免陷阱和亚稳态。 例如,一些固态增益介质可能掺杂了可以淬灭这种状态的其他物质。

气体激光器中的亚稳态

亚稳态在气体激光器中也起着一些作用:

  • 在其中一些激光器中,氦原子通过放电被激发成亚稳态。 在与其他原子的碰撞中(例如氦氖激光器中的氖),它们可以将激发能转移到这些原子上。 有效的共振能量转移要求两种物种的激发能量非常相似。 在潘宁电离的情况下,这种情况不存在,因为这会导致自由电子带走可变量的能量。 例如,这发生在氦镉激光器中。
  • 还发生激光跃迁后原子被“卡住”在亚稳态中的情况。 例如,氦氖激光器就是这种情况。 在这里,使用直径相对较小的激光孔管是一个很好的解决方案,这样亚稳原子在与管壁碰撞时可以耗散能量。 只有此后,他们才能再次参与激光过程。

无亚稳态的激光器

通常,激光增益介质不必表现出介稳水平;只要发射横截面足够大,短寿命水平仪仍然可以用作上激光水平仪。 (对于阈值泵功率,σ−τ乘积是基本量。 然而,较长的亚稳能级寿命对于调Q激光器非常重要,因为它们允许大量的能量存储。 它们对激光动力学也有很强的影响,包括尖峰现象。 最后,如果没有亚稳水平,三电平激光跃迁几乎是不可能的,因为很难实现正净增益所需的大量上州人口。

在掺杂绝缘体固态激光器的激光建模中,通常只考虑亚稳态和基态的群体,因为只有极小比例的激光活性离子可以处于其他(短暂)状态。 这可以大大简化激光模型。

基础光学

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