从实验方法上如何判断雪崩电离和多光子电离

从实验方法上如何判断雪崩电离和多光子电离

1 Femtosecond Laser Ablation of Dielectrics: Experimental Studies of Fundamental Processes.

Stéphane Guizard1*, Nikita Fedorov1, Alexandros Mouskeftaras1, Sergey Klimentov2,

PACS: 79.20.Eb, 78.47.J, 72.20.Jv.

文章在实验上研究了在宽禁带的绝缘体中由诱导损伤刺激引起的电子机制，用到了泵辅—探测干涉技术，来测量由超快激光激发的搬运电子的密度。这里我们用到的刺激脉冲为：a first pump short pulse at 400 nm 50fs excites a large density of carriers, and a second one at 800 nm with different pulse duration, namely 50 fs and 10 ps, reaches an excited solid。在Al2O3中，要求每个脉冲的强度都低于损伤阈值，但在两个同时作用时要超过阈值。而且两个脉冲同时作用时的电子密度等于分别单独作用时的电子密度之和。这个结果引领我们得出结论：第二个脉冲通过heating之前产生的电子，而不是自己诱导产生新的电子。这貌似又集中在了雪崩过程上，但事实上雪崩过程在这里的实验中并没有多大的作用。

双脉冲实验的思想在于尝试观测不同阶段的电子激发情况（由价带到导带和导带中的情况）。首先由第一个短脉冲激发大量的电子，在一定延迟后输入第二个脉冲，来在激发电子。最后我们测量电子浓度随时间的演化（在不同的延迟下）。实验的原理图如下：

在exit of the monochromator得出的干涉图为

对不同的泵辅—探测延迟我们有很多的干涉图，对它们进行傅里叶分析得出准确的相位和amplitude of each horizontal line。这样我们得到相移和吸收情况。为避免cumulative effect，样品要在shot之后移动位置。相移和折射率的变化量成正比，也就是说相移和激发的电子密度成正比。

文中之后给出了不同深度的相移演化图如下：

我们观察到深度越深，信号会下降。

之后文中又给出了相移随激光强度、入射脉冲能量的变化图以及单脉冲作用和双脉冲（不同脉宽）一起作用的对比图

在图中，假设雪崩电离发生，会有信号的加强，但我们观察到信号的下降。最终得出了电离的机制是多光子电离。

Mechanisms of femtosecond laser-induced damage in magnesium fluoride

Haiyi Suna,_, Tianqing Jiaa,b, Chengbin Lia, Xiaoxi Lia, Shizhen Xua, Donghai Fenga, Xiaofeng Wanga, Xiaochun Gea, Zhizhan Xua

Solid State Communications 141 (2007) 127–131

上文也是用到泵辅—探测技术分析电离机制的。

2 Femtosecond laser absorption in fused silica: Numerical and experimental investigation

Alexander Q. Wu, Ihtesham H. Chowdhury, and Xianfan Xu*

DOI: 10.1103/PhysRevB.72.085128

在90fs激光脉冲照射熔融石英玻璃的单脉冲的透射和反射率，可以用来研究光电离和雪崩电离机制。文中对模拟和实验数据的比较表明：雪崩电离的系数远小于以前文章报道的情况，在我们这里的研究中它的作用也很小。

文中说激光脉冲前沿产生自由电子等离子体，这个等离子体能吸收和反射脉冲后沿。这样通过比较计算和测量的透过率，能为我们提供激光吸收过程的信息。

实验中，在每次shot 之后，样品横向移动15um ，光束聚焦后的直径为4.0um 。The transmitted beam was collected with a 50ⅹobjective_0.5NA_, and the reflected beam was collected by the Mitutoyo objective itself.

在上图中得模拟结果并没有考虑雪崩电离，但却与实验结果非常符合。

图中可以看出透过率的计算与实验偏差很大,而与文中的model（beta=0）符合很好，文中还列出了透过率随距前表面的位置不同的变化图等。最终得出了多光子作用大，雪崩作用小得结论。

这篇文献主要是在给出特定的model后，看单脉冲照射介质后的反射和透射率的变化情况来判断电离机制，虽然作者认为这比测量光击穿阈值的方法好，但我个人认为不太好。

3 Laser-induced damage of hafnia coatings as a function of pulse

duration in the femtosecond to nanosecond range

Laurent Gallais,1,* Benoît Mangote,1 Myriam Zerrad,1 Mireille Commandré,1 Andrius Melninkaitis,2 Julius Mirauskas,2 Maksim Jeskevic,2

and Valdas Sirutkaitis2

OCIS codes: 310.1620, 140.3330, 140.7090, 320.7130

这篇文献是通过测量激光诱导损伤阈值的方法来研究电离机制的。文中报道了铪单层暴露在纳秒，皮秒和飞秒脉冲下激光诱导损伤的阈值和形态。样品还在不同的参数下的损伤行为与脉宽的关系以及怎样与积累过程联系。在皮秒和飞秒的机制下与文章中有关光电离和雪崩电离的model符合，然而损伤的形态不同被给出。

铪材料的损伤阈值（LIDT）很高，我们已经制造了一套单层铪涂料，并且研究了LIDT随脉宽的变化。

上表给出了一些脉宽参数。下图是给出了损伤阈值的判断。

之后文中给出了测量LIDT在不同的脉宽下的实验装置，例如：12ns，1064nm