0.0.3. Изменение поглощения в идеально чистых прозрачных твердых телах

Переходя к анализу процесса изменения поглощения прозрачных твердых тел, сначала рассмотрим процесс изменения поглощения идеально чистых сред, а потом обратимся к средам с локальными примесями.

Первое, что надо иметь в виду, – идеально чистые прозрачные среды практически не существуют. В любом кристалле, стекле всегда имеются макроскопические локальные примеси, представляющие собой локальные области, имеющие иной показатель преломления и коэффициент поглощения, чем сама среда.

В случае идеально чистых материалов механизм изменения поглощения во многом похож на механизм изменения поглощения, рассмотренный выше. Лазерное излучение за счет многостадийных взаимосвязанных процессов генерирует свободные носители зарядов. На свободных носителях происходит дополнительное поглощение лазерного излучения, при этом в облучаемом объеме выделяется тепло, повышается температура и показатель преломления среды, происходит самофокусировка пучка и повышается интенсивность излучения, что приводит к ускорению перечисленных процессов.

Прежде чем обратиться к описанию перечисленных процессов, сопоставим типичные характеристики кристаллов и стекол с характеристиками газов. В процессе возникновения электронной лавины, определяющее значение имеют плотность свободных электронов в среде, энергия, которую свободный электрон должен набрать за счет столкновений, частота столкновений электрона с третьим телом и наличие (или отсутствие) потерь энергии за счет конкурирующих процессов.

Концентрация электронов в зоне проводимости (определяемая «хвостом» максвелловского распределения электронов по энергиям в валентной зоне) на много порядков превышает концентрацию свободных электронов в газе. Наконец, время свободного пробега электрона в зоне проводимости (время до столкновения с решеткой) гораздо меньше времени свободного пробега в газе. Таким образом, все эти условия более благоприятны для развития электронной лавины в твердом теле, чем в газе. Потери энергии при столкновениях электрона с решеткой существеннее, чем при столкновениях с атомами газа.

Развитие электронной лавины может происходить за счет возбуждения валентных электронов. Скорость увеличения их энергии в процессе столкновений резко убывает с ростом энергии электронов. Потери энергии на образование фононов практически не зависят от энергии электронов, . Суммарный эффект зависит от напряженности поля лазерного излучения, так как . Очевидно, что всегда можно найти столь высокую напряженность поля , когда суммарный эффект за время действия лазерного импульса

будет больше ширины запрещенной зоны (рис. 0.0). Это и есть пороговое условие, необходимое для размножения свободных электронов.

Рис. 0.0. Изменении энергии электрона в результате увеличения энергии электрона из-за антитормозного поглощения ( ) и уменьшения энергии из-за возбуждения фононов ( ) в зависимости от кинетической энергии электронов при различной напряженности поля лазерного излучения; — суммарный эффект изменения энергии электрона; — ширина запрещенной зоны

Изменение поглощения прозрачных материалов может быть вызвано, кроме того, образованием фононов (гиперзвуковых колебаний) в процессе вынужденного рассеяния Мандельштама  Бриллюэна (ВРМБ).