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原子热

原子热是“克原子热容量”的简称。指由单一元素所构成的1克原子物质的热容量,即1摩尔该种原子所构成的系统的热容量。计算公式表述为:其原子系统的克原子热容量等于其克原子与比热的乘积,可分为“定容克原子热容量”和“定压克原子热容量”。

原子蒸气中存在着丰富的非线性效应。其中最重要的是光克尔效应和四波混频。从非线性光学建立的早期开始,它一直是非线性光学研究的一个热门。从1970年,D.Grischkowsky对激光单次穿过钾蒸气产生的自聚焦效应进行了研究开始,国际上很多小组,先后使用不同的原子,如铯,钡,钠等研究了原子热蒸气中的非线性效应。但是在穿过原子热蒸气的激光器的选择上,大家一直使用的都是脉冲激光器。直到2002年Bennink等人首次使用连续染料激光器单次穿过钠蒸气介质对斑图模式进行了研究,并通过克尔效应给出了很好的理论解释。

在研究了具有高斯横向分布的连续激光束单次通过铷原子蒸后,在近共振附近铷原子蒸气中,由强的非线性克尔效应导致的激光分裂成细丝现象,并且这些细丝的衍射图样在远场通过相干迭加,可以形成具有规则结构的斑图模式。实验上研究了输入光功率,铷泡温度和抽运激光频率相对于85Rb原子D2线的不同失谐位置等因素对斑图模式的影响。由于铷原子的超精细能级分裂,在铷原子蒸气中同时存在与三阶非线性效应相关的四波混频现象,通过扫描探测光的频率同时观察到具有斯托克斯和反斯托克斯光子的喇曼增益现象。

原子热蒸气作为一种重要的非线性介质已被广泛研究,它主要包含三阶非线性效应(克尔效应和四波混频)。早在1970年,D.Gri schkoWsky就对激光单次穿过钾蒸气产生的自聚焦效应进行了研究;1986年,I.Golub,R.shuker and G.Erez观察到激光束在通过原子蒸气的过程中,会产生坍塌成丝现象,并且这些丝化的光束呈圆锥形发射状;1988年,Y.Shevy and M.Rosenbluh提出了产生圆锥形发射状光束与四波混频有关; 1993年,w.Chaupczak等人通过调节穿过原子蒸气的光束强度,可以精准的操控光束的坍塌:1998年,A.Dreischuh等人通过实验证明了强激光束通过原子蒸气产生的圆锥形发散光束是由于喇曼共振的四波混频产生的;2001年,J.A.Andersen等人使激光束通过铷蒸气,得到了自聚焦形成的斑图模式;2002年Bennink等人首次使用连续染料激光器单次穿过钠蒸气介质对斑图模式进行了研究,并通过克尔效应给出了很好的理论解释。2005年,D.Aumiler等人使用脉冲激光束通过铯蒸气,在远场观测到了斑图,并分析指出产生该现象的主要原因是克尔效应。

二能级原子系统是一个蕴藏着丰富物理过程的系统。主要是讨论单色场中的二能级原子。使用二能级近似的方法进行讨论,这样虽然会忽略了二能级的一些特征,但它仍然描述的是一个巨大的,丰富的物理过程。从解二能级原子的运动密度矩阵入手,讨论二能级原子系统的三阶非线性极化率和非线性折射率随相对于共振频率的失谐量的变化关系。 [1]

实验中使用高功率可调谐半导体激光器(TA100,Toptica)作为泵浦光,自制的外腔光栅反馈半导体激光器(ECDL)作为探测光,通过格兰棱镜(GL)使这两束光以小角度在加热的铷泡中耦合。然后泵浦光在远处屏上成像,用CCD相机观测并输入计算机进行记录分析。探测光由探测器探测,在示波器上观测喇曼增益或吸收现象。另外我们还测量记录了不同条件下斑图模式对应的强度噪声谱。主要包括半导体激光系统,饱和吸收光谱系统加热系统,探测器和强度噪声测试系统五部分。

硅晶体的应用广泛,它是典型的半导体材料,是当前最重要、产量最大发展最快、用途最广泛的半导体材料。硅的晶体结构属于金刚石结构,原子以共价键结合。每个原子有四个最近邻,这四个最近邻原子处在正四面体的顶角上。还有Al-Si合金状态被利用在汽车工业上得到广泛的应用。硅基薄膜太阳能电池有原材料丰富、无毒、成本低廉等特点将占据重要的市场份额。

在10K到300K温度范围内进行X射线衍射实验。考察了不同温度下粉末晶体硅的衍射花样的变化,利用晶体结构分析用Rietveld解析方法RIETAN-2000程序进行了晶体结构分析。通过MEM(Maximum Entropy Method)解析方法用PRIMA(Practice Iterative MEM Analyses) 程序和VEND(Visualization of Electron/Nuclear Densities)程序进行了等高电子密度分布的可视化,其结果比较晶体结构模型。采用衍射实验方法可直接得出原子热振动各向同性温度因子,利用它可计算德拜温度因子,进一步可分析热漫散射强度和计算晶格振动。

通过这次的研究, 得到了粉末晶体硅在10K、50K、100K、150K、200K、250K和300K温度下的晶格参数和原子热振动各向同性温度因子。结果表明原子在低温10K里也有平衡附近作热振动,随温度的升高热振动的大小也明显的增大。实验证明了晶格常数a、晶胞体积U和原子间距离r随温度有明显的变化。 [2]


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