定义
涉及多个声子的吸收过程。
介电材料和半导体表现出一定范围的光学波长,它们或多或少是透明的,即表现出低吸收。 该透明度范围的长波长极限,称为红外吸收边缘,由强多声子吸收的开始决定:吸收过程,其中多个声子与单个光子的吸收一起产生。 对于更长的波长,单声子吸收成为可能,其中每个吸收的光子产生一个声子。
在经典模型中,相同的过程可以理解为由非谐波振荡器的泛音引起的。 请注意,在红外线及其相应的泛音吸收线中通常没有一条孤立的吸收线,而是一条更复杂的宽吸收线集合,有效地形成一个连续体。
多声子吸收与离子晶体和玻璃最相关,其中具有相反电荷的相邻离子可以相互振动。 与光学声子有关的这种振动表现出比与声声子有关的振动高得多的频率,其中相邻的原子成分大致同相振动。 尽管如此,与光学频率相比,这种光学声子频率通常相当低,除了中红外。 然而,多个这样的声子组合起来可以具有等于一个光子的能量。 从单个光子创建多个声子的过程涉及基于声子模式不和谐性的复杂耦合过程,在某些情况下还涉及电非线性。 它们可以在光谱区域导致大量的吸收尾,否则人们的吸收率会很低。 贡献的吸收呈指数衰减,向较短的光学波长方向衰减,因为该光谱区域需要越来越多的高阶过程。 请注意,尽管与单声子吸收相比,多声子吸收通常相当弱,但它仍然很容易足够强,例如禁止在某个光谱区域中使用材料。 这种吸收的开始有时被称为多声子吸收边缘,尽管这种吸收非常连续地上升,因此人们没有明确定义的边缘。
多声子吸收不能与多光子吸收混淆,后者是一个完全不同的过程。 同样没有强烈关系的是多声子跃迁,其中多个声子与掺杂剂离子的弛豫一起发射。
示例:二氧化硅纤维
例如,考虑熔融石英(非晶 SiO2 ),这是二氧化硅纤维的基础。 二氧化硅的红外吸收边缘约为2μm;波长超过1.7μm时,传播损耗已经大幅上升(见图1)。
图1:二氧化硅中光的固有传播损耗。在长波长下,与多声子吸收相关的红外吸收占主导地位。
观测到的红外吸收边缘与Si-O键的拉伸模式有关,其波数为≈1100 cm−1. 因此,单声子吸收需要大约9μm的光学波长。 由于多声子过程,对于低于2μm的波长已经开始显着吸收。 尽管与中红外吸收相比,这种吸收仍然非常弱,但它足够强,例如禁止使用二氧化硅纤维进行1.8μm及以上的长距离信号传输。
根据所使用的纤维制造工艺,石英玻璃或多或少会受到水的污染,从而导致羟基(OH)。 OH基团的基本共振对应于≈2.75 μm的波长,≈1.38 μm处的第二个泛音落入二氧化硅的固有低损耗窗口,形成或多或少突出的吸收峰,这可能不利于1.5 μm光谱区域的光纤通信。 第三次谐波与≈0.95 μm处的峰值有关,这可能与其他应用相关。 这些“OH泛音吸收峰”构成外在损耗,可以通过采用制造技术来最小化,从而使材料的羟基含量最低。
用于红外光学的低声子能量材料
与Si-O键相关的固有多声子吸收限制了二氧化硅光纤对红外光学的适用性。 因此,人们可以求助于硫族化物纤维,例如,它由较重的成分制成,导致较低的振动频率,因此相应的更长的红外吸收边缘。 有关中红外光纤和红外光学器件的文章提供了更多详细信息。
参考文献
[1] L. L. Boyer et al., “Multiphonon absorption in ionic crystals”, Phys. Rev. B 11 (4), 1665 (1975), doi:10.1103/PhysRevB.11.1665
[2] C. R. Elliott and G. R. Newns, “Near infrared absorption spectroscopy of silica: OH overtones”, Appl. Spectroscopy 25 (3), 378 (1971)