多声子转换 Multi-phonon transitions

2022-11-07 14:14:43 浏览:199

定义

固体介质中原子或离子的电子能级之间的跃迁,涉及多个声子的发射。

固体中的离子(例如激光增益介质)具有不同的能级,它们之间的跃迁可能是由光的吸收、自发或受激发的发射以及各种非辐射机制引起的。 后一种可能性的一个例子是多声子跃迁,其中多个声子(晶格振动的量子)同时发射并带走两个能级激发能量的差异。 这样,与单个声子的发射相比,具有较大能量差的跃迁是可能的。

多声子跃迁的跃迁速率随着阶数(即发射声子的数量)的增加而迅速(指数)下降。 只需要两个或三个声子,过渡可能非常快,而例如,对于五个声子,它们可能可以忽略不计。

最大声子能量的重要性

一个重要的参数是材料的最大声子能量,因为它决定了在给定的激发能量差异下,在两个能级之间进行多声子跃迁所需的最小声子数。 在某些情况下,高声子能量玻璃(如熔融石英)中的离子会发生非常强的多声子跃迁速率,而对于低声子能量玻璃(例如ZBLAN,一种含有重金属的氟化物玻璃)的离子,该速率可以忽略不计。

温度依赖性

多声子发射已经可以在低温下发生,其中材料的声子模式几乎不被填充。 然而,由于声子的受激发射,多声子跃迁速率会随着温度的增加而增加,涉及热填充声子模式[1]。 这发生在以下情况下kBT不比所涉及的声子的能量小多少。 因此,随着温度的升高,亚稳水平的寿命可能会缩短。

激光增益介质中多声子过程的相关性

多声子过程与固态激光增益介质相关,这以不同的方式:

没有多声子跃迁,许多固态激光器就无法正常工作。

  • 它们可以通过提供有用的过渡在激光的功能中发挥重要作用。 例如,在掺钕激光增益介质中,通常将离子从基态泵送到高于上激光能级的激发态。 从那里,多声子跃迁迅速将它们带到上部激光水平(4F3/2). 此外,大多数四电平固态增益介质的较低激光水平会因多声子发射而迅速减少;这很重要,因为否则可能会在激光跃迁上产生重吸收损失。
  • 另一方面,如果激光跃迁本身被多声子过程绕过,或者如果其他重要的亚稳态被减少,这可能是非常有害的。 因此,许多中红外激光源,例如3μm掺铒光纤激光器,需要用低声子能量玻璃来实现。 (低声子能量对于中红外波长区域的透明度也很重要。 此外,一些基于掺铒或掺铥玻璃的上转换激光器需要重金属玻璃(例如氟化物玻璃)作为主体介质,因为二氧化硅等高声子能量玻璃会导致所需的介稳水平的寿命过低。

参考文献

[1] L. A. Riseberg and H. W. Moos, “Multiphonon orbit–lattice relaxation of excited states of rare earth ions in crystals”, Phys. Rev. 174 (2), 429 (1968), doi:10.1103/PhysRev.174.429
[2] C. B. Layne et al., “Multiphonon relaxation of rare earth ions in oxide glasses”, Phys. Rev. B 16 (1), 10 (1977), doi:10.1103/PhysRevB.16.10
[3] Y. V. Orlovskii et al., “Multiple-phonon nonradiative relaxation: experimental rates in fluoride crystals doped with Er”, Phys. Rev. B 49 (6), 3821 (1994), doi:10.1103/PhysRevB.49.3821
[4] Y. V. Orlovskii et al., “Temperature dependencies of excited states lifetimes and relaxation rates of 3–5 phonon (4–6 μm) transitions in the YAG, LuAG and YLF crystals doped with trivalent holmium, thulium, and erbium”, Opt. Materials 18, 355 (2002), doi:10.1016/S0925-3467(01)00174-4
[5] Z. Burshtein, “Radiative, nonradiative, and mixed-decay transitions of rare-earth ions in dielectric media”, Opt. Eng. 49, 091005 (2010), doi:10.1117/1.3483907

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