特超声声子的激光产生和荧光检测

利用光学办法在固体中产生和检测频率为10~(12)Hz的特超声声子,以及研究这些特超声声子在固体中的行为,是近几年发展起来的新领域,对于超声物理和固体物理研究是很有意义的。本文前三部分介绍了在压电晶体中利用远红外脉冲激光的表面激发产生特超声声子,以及利用激光激发磁性离子的晶场劈裂能级,引起声子感应跃迁,产生很强的声发射。在某些情况下,可以实现受激发射。在第四部分中介绍了处于激发态的磁性离子通过声子感应吸收跃迁,可以感应出附加的荧光辐射,借助这种感应荧光可以实现特超声的相干检测。最后简要介绍了特超声声子在固体物理研究中的应用。     

激光超声的原理及其在固体中的应用

激光超声是指脉冲激光所产生的脉冲超声。激光超声是较新的产生超声的方法。它的主要特色是，可以遥发遥收，这样就有可能在高温、有危险辐射等恶劣环境下以及在样品运动的生产线上进行超声检测。皮秒级和飞秒级的激光所激发的超声近来又用来研究固体中电子和声子的相互作用。文章介绍了固体中激光超声的声学性能及两种产生机理：热弹机理和电子机理。     

激光超声无损检测技术

 传统的无损检测方法具有一定的局限性,例如:在高温高压、高湿、有毒等某些恶劣检测环境中,或被测工件具有放射性或腐蚀性,以及被测工件具有较快的运动速度时,已不能完全满足要求。因此,人们一直都在努力寻找适合于上述情况的无损检测方法。这里介绍一种激光超声检测技术,它是利用激光脉冲激发超声从而实现无损检测的一种方法,已逐渐成为材料无损检测的一种重要手段。本文详细介绍了激光超声的检测原理及应用,并指出目前尚存在的问题及解决措施。激光超声的激发原理激光超声是指用脉冲激光在介质中所产生的超声波或利用激光来产生超声这一物理过程。激光可以在固体中产生超声,也可以在气体和液体中产生超声。     

微微秒时间间隔的晶格动力学

声学声子和光学声子的寿命以及寿命随温度、频率的变化影响固体的许多性质.例如,声学声子寿命对绝缘休、半导体和非晶固体的热输运性质的影响是极为重要的.光学声子的衰减动力学过程和光学声子与其它激发的耦合,对半导体的热电子输运,绝缘体中非平衡高频声学声子的产生等问题都起十分重要的作用.因此对声学及光学声子寿命的研究已成为固体物理中基本的和极感兴趣的课题. 高温下或在有短的平均自由程的材料中,声学声子激发的寿命通常是微微秒的范围.而频率为5—10THz的光学声子的寿命则是毫微微秒量级.最近两年,用微微秒与毫微微秒激光脉冲…     

固体中脉冲激光激发声表面波的理论研究

本文运用本征函数展开的方法对固体材料中脉冲激光激发的声表面波进行了理论研究，在考虑热弹激发的条件下，利用三维的轴对称模型，得到了脉冲激光光源的脉冲宽度以及聚焦半径对固体材料中声表面波信号的时域及频域的影响，对进行超短脉冲激光激发超声的研究具有指导意义。     

通过光子与横向光频支声子直接耦合产生超声

详细地讨论了通过光子与横向光频支（TO）声子直接耦合产生高频超声问题。着重研究如下的原则性的实验方案：在构成共振腔主体的离子晶体中掺入某种活化原子（犹如固体激光器中受到抽运的杂质原子）,其受激辐射的光能用于激发TO声子,从而获得超声振动向腔外的输出。分析的结果说明,为保证运行的稳定性,体现在声子与光子的非线性耦会以及声子间耦合的晶格振动非简谐性是必要的。对这种光一声装置的工作物质的探索,将关系到对离子晶体晶格动力学上的非线性及有关电磁耦合特性的深入研究     

瞬态激光作用下的弛豫过程

概述了国内外在非平衡统计方面有关的理论和方法。着重介绍了中国科学院金属研究所在固体非平衡性质方面研究工作的一些新近进展，其中包括激光脉冲激发下的非平衡声子动态过程，一维链中非线性声子交互作用形成的孤子状激发，无序固体低温下声子输运的量子理论，瞬态激光作用下温度和长度变化的不同步效应。最后讨论了这方面今后应进行的理论和实验工作。     

超冷里德堡原子的产生以及探测

利用激光冷却与俘获技术获得冷原子,由双光子激发产生超冷里德堡原子,利用场电离法得到了里德堡原子ns和nd态的离子谱图;再将激光波长固定在6p3/2-34d态的共振跃迁线上,得到了离子和里德堡原子的TOF(Time of Flight)图,并对实验结果做了分析.     

用于原子能级结构研究的激光共振电离光谱系统

激光共振电离光谱技术是一种利用一路或多路激光将待测原子选择性共振激发与电离,通过测量离子信号来研究原子能级结构的光谱技术。研建了一套激光共振电离光谱装置,用于原子高激发态能级结构参数的测量。分别从该装置的总体结构、关键技术和应用实例等方面进行了详细介绍。该套装置主要包括高调谐精度的染料激光器系统、高效的激光离子源系统和高分辨率的飞行时间质量分析器。染料激光器系统包括3台多纵模可调谐染料激光器和1台单纵模可调谐染料激光器,均为脉冲工作方式,重复频率为10 kHz,泵浦源均为532 nm的Nd∶YAG固体激光器。激光离子源系统包括原子化源、激光与原子相互作用区和离子光学透镜组三部分组成,样品在原子化源中被电加热实现原子化,喷射出的原子被激光选择性激发、电离,产生的离子被离子传输透镜整形成能量分散小、束窄的离子束。飞行时间质量分析器采用了反射式结构设计、脉冲垂直推斥技术和偏转板调节技术。利用此装置,实验测定了U原子的自电离态光谱,获得了U原子一条较佳的三色三光子共振电离路径,对应激光的波长分别为591.7,565.0和632.4 nm。此系统还可用于测量同位素位移和原子超精细结构等参数。另外,由于此系统中联用了质量分析器,因此可用于样品多元素分析、痕量元素分析、同位素丰度分析。     

光频支声子对二维Heisenberg铁磁系统磁激发的影响

在二维复式正方Heisenberg铁磁系统的基础上建立了磁振子-声子相互作用模型. 利用松原格林函数理论研究了系统的磁激发，计算了布里渊区的主要对称点线上的磁振子色散曲线，比较了光频支声子与声频支声子对系统磁激发的影响以及各项参数的变化对磁振子软化的影响. 发现光频支声子-磁振子耦合对磁振子软化起主要作用，尤其是纵向光频支声子对磁振子软化起更大的作用，并且非磁性离子的光频支声子对磁振子软化的作用比磁性离子的光频支声子对磁振子软化的作用更显著.     

Tm~(3+)掺杂Ge-Ga-Se玻璃中红外发光特性与多声子弛豫分析

用熔融急冷法制备了系列不同Tm3+掺杂浓度的Ge30Ga5Se65玻璃样品,测试了样品折射率、拉曼光谱、吸收光谱以及800nm激光泵浦下的近红外及中红外波段荧光光谱和荧光寿命。用Judd-Ofelt理论计算了Tm3+在Ge30Ga5Se65玻璃中的强度参数Ωi(i=2,4,6)、自发辐射跃迁概率A、荧光分支比β和辐射寿命τrad等光谱参数。讨论了800nm激光泵浦下掺杂1Wt%Tm3+样品在近红外1.23,1.48和1.8μm处的发光特性及各量子效率,研究了800nm激光泵浦下的样品中红外荧光特性与掺杂浓度之间的关系,计算了常温下该基质玻璃中Tm3+:3H5→3F4跃迁对于3.8μm处的多声子弛豫速率Wmp和Ge30Ga5Se65玻璃基质中多声子弛豫常数W(0)和电子-声子结合常数α值。结果表明Ge30Ga5Se65硒基玻璃较低的声子能量可以大大降低稀土离子能级间跃迁的多声子弛豫概率,从而提高中红外荧光发光效率,因此硒基玻璃作为稀土离子的掺杂基质材料对实现中红外荧光输出是非常有利的。     

T→0K下光频支声子-磁振子相互作用对磁振子衰减的影响

在二维复式正方Heisenber铁磁系统的基础上建立了磁振子-声子相互作用模型.利用松原格林函数理论研究了系统T→0K下的磁振子衰减,计算了布里渊区的主要对称点线上的磁振子衰减的变化曲线,比较了磁性离子的与非磁性离子的光频支声子对磁振子衰减的影响以及各项参数的变化对磁振子衰减的影响.发现光频支声子-磁振子耦合对磁振子衰减起主要作用,尤其是纵向光频支声子对磁振子衰减起更大的作用,并且非磁性离子的光频支声子对磁振子衰减的作用比磁性离子的光频支声子对磁振子衰减的作用更显著.根据关系式-Im∑*(1)(k)=/(2τ)可以对磁振子寿命和磁振子线宽进行判断.     

ZnS:Er3+的激光选择激发—一种立方对称Er3+中心

本文首次报导了用激光选择激发技术研究Ⅱ-Ⅵ族化合物中三价稀土离子中心的结果.用激光选择激发技术分辨出ZnS:Er3+中一种具有立方对称的中心,确定了基态和激发态的晶场分裂。根据点电荷模型计算和实验结果,该中心的结构是Er3+离子处于填隙位置,最近邻配位体是四个带正一价电荷的电荷补偿离子.该中心的发射光谱中发现由于发射局域声子产生的声子伴线。     

声子

前言 声子(phonon)是固体物理和近代声学中的一个重要基本概念.但一般固体物理、统计物理和声学的教科书或参考书中,对这一概念的介绍非常简单,甚至有一些不妥的说法,如认为“声子就是晶格振动中的简谐振子.”[1]为了使大家对声子有一个准确而完整的概念,本文拟就声子的引入、声子的性质进行较为详细的讨论.一、声子概念的引入 声子的概念首先是在研究晶格振动时引入的[2].晶格振动是晶体中诸原子(离子)集体在作微振动,其结果表现为晶格中的格波. 由量子力学可知,用经典力学的物理量来描述微观粒子,只能在一定的近似程度内做到.当作为粒子处…     

晶格弛豫和多声子跃迁理论

近年的发展日益证明,固体中的局域电子态所导致的晶格弛豫(晶格原子位置移动)是局域电子态的一项基本特征,能够引起许多重要的效应。在局域态的吸收和发射光谱中,由于晶格弛豫而引起斯托克斯位移和光谱的多声子结构(多声子的光跃迁)。晶格弛豫又可以在不同电子态之间引起无辐射跃迁,其中的能量变化完全由多声子的发射或吸收来补偿(多声子无辐射跃迁)。本文以线性的电子—声子作用和简谐近似的晶格模型为基础,系统地总结阐明多声子的光跃迁理论和多声子的无辐射跃迁理论。关于光跃迁的部份既介绍了直接计算跃迁几率的方法,也介绍了采用傅里叶变换的理论,并分析了连续谱和多声子结构相互叠加的一个光谱实例。关于无辐射跃迁的部份着重分析和澄清了多年来环绕所谓“康登近似”出现的矛盾,从而把近年来不同的理论发展置于统一的基础之上。介绍了估算跃迁几率的最陡下降法。最后讨论了强耦合和弱耦合的情形。     

晶格弛豫和多声子跃迁理论

近年的发展日益证明,固体中的局域电子态所导致的晶格弛豫(晶格原子位置移动)是局域电子态的一项基本特征,能够引起许多重要的效应。在局域态的吸收和发射光谱中,由于晶格弛豫而引起斯托克斯位移和光谱的多声子结构(多声子的光跃迁)。晶格弛豫又可以在不同电子态之间引起无辐射跃迁,其中的能量变化完全由多声子的发射或吸收来补偿(多声子无辐射跃迁)。本文以线性的电子—声子作用和简谐近似的晶格模型为基础,系统地总结阐明多声子的光跃迁理论和多声子的无辐射跃迁理论。关于光跃迁的部份既介绍了直接计算跃迁几率的方法,也介绍了采用傅里叶变换的理论,并分析了连续谱和多声子结构相互叠加的一个光谱实例。关于无辐射跃迁的部份着重分析和澄清了多年来环绕所谓“康登近似”出现的矛盾,从而把近年来不同的理论发展置于统一的基础之上。介绍了估算跃迁几率的最陡下降法。最后讨论了强耦合和弱耦合的情形。     

对高频声子的探测

晶体中的原子在其平衡点附近的摇晃会产生振动波,即声子．声子能在固体中传播声、热能和其他形式的能量,测量声子的性质可以提供有关晶体的结构以及原子间相互作用的各种信息．声子的性质一般是利用与光子的声一光相互作用来测定的．但当声波的波长小到只有原子间距的大小时,就很难利用声一光作用来探测声子了．因此,尽管有许多科学家都认为,在固体中已激发出了高频声子,但却无法用直接或间接的方法来精确地测定它们．     

利用PVDF传感器检测激光超声的实验研究

简要介绍了激光超声技术以及声表面波的基本特点、激光超声产生和接收的基本原理及激光超声技术的应用。概述了聚偏二氟乙烯（PVDF）压电薄膜材料的结构、性质和应用，以及薄膜压电性产生的机理。对PVDF换能器的设计思路和实验方法进行了简单讨论。具体实验采用脉冲激光器激发声表面波，利用PVDF传感器接收实验信号，调试实验信号，得出波形，并对实验现象作出初步分析。证实了该实验装置应用于激光超声无损检测的可行性与可靠性。     

利用飞秒激光实现量子材料中电子维度的操控

正强激光与多体系统相互作用可以诱导非平衡态的新奇物理现象,例如光致超导~([1])、光致亚稳态~([2])、光激发相干声子模式~([3])和光致拓扑缺陷的产生~([4])等。激光脉冲泵浦激发固体材料中的电子提供了一种通过非热诱导产生新颖量子态的手段,可以在飞秒至皮秒级的时间尺度上操控材料的宏观属性。     

锰酸钇薄膜中Mn3+离子d-d跃迁的超快光谱学研究

本文利用时间分辨光谱技术,系统研究了飞秒激光诱导YMnO₃薄膜中Mn³⁺离子3d轨道跃迁的 载流子动力学过程.当抽运光子能量为1.7 eV,对应于Mn³⁺离子的3d轨道跃迁, 抽运-探测零延迟时间处的透射率变化随着温度的降低逐渐减小. 这起源于低温下短程反铁磁有序诱导Mn³⁺离子d-d能级发生"蓝移". 载流子弛豫过程由快、慢两个过程组成,分别对应于电子-声子相互作用和自旋-声子相互作用. 实验发现,当温度低于80 K,电子-声子热化时间显著增加,表明低温下电子-声子的 耦合强度受长程反铁磁有序的影响.