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强近红外超短激光脉冲作用下晶体硅中体等离子体的超快能量吸收与光激发

DOI：10.1016/j.apsusc.2020.146087 期刊：Applied Surface Science 出版年份：2020 更新时间：2025-09-23 15:21:01
摘要： 我们研究了块状硅在强12飞秒近红外激光脉冲辐照下的非线性响应与能量吸收。根据激光强度的不同，我们将激光能量的非线性吸收区分为两种模式：低强度时，能量沉积和光电离通过硅的直接带隙发生微扰三光子跃迁；当激光强度接近或超过10^14 W/cm2（对应约10^22 cm?3的光生载流子密度）时，我们发现由于体等离子体激元共振的激发，近红外波段的吸收显著增强。该模式下，传递给电子的能量超过硅热熔融阈值的数倍。光激发固体的光学反射率与现有实验数据具有良好定性一致性。特别地，该模型预测光激发硅的反射率曲线随激光注量变化的主要特征，由泡利不相容原理导致的态填充/能带填充与德鲁德自由载流子响应之间的竞争所决定。我们还研究了双强脉冲（非重叠瞬时作用）辐照硅时的光激发固体非线性响应，两脉冲累积沉积能量呈现非加和性效应——第二脉冲前沿的光电离和能量吸收因自由载流子吸收而大幅增强。
作者： Tzveta Apostolova，Boyan Obreshkov，Iaroslav Gnilitskyi
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研究概述 实验方案

研究目的

研究块状硅在强12飞秒近红外激光脉冲辐照下的非线性响应与能量吸收，根据激光强度区分两种非线性吸收机制，并探究体等离子体激元共振激发对能量转移和光学反射率的影响。

研究成果

该研究表明，在接近及超过10^14瓦/平方厘米的激光强度下，光电离会在硅中产生高密度的电子-空穴对等离子体，从而导致近红外波长出现强吸收状态。传递给电子的能量超过了硅的热熔融阈值，且光激发硅的光学反射率与实验数据在定性上高度吻合。该模型揭示了能带填充、泡利阻塞和德鲁德自由载流子响应之间的竞争关系，这些因素共同决定了光激发固体的光学特性。

研究不足

该研究属于理论性研究，依赖于数值模拟，可能无法完全捕捉实验环境中观察到的所有物理现象。该模型采用单活性电子近似法，并运用经验赝势方法，这可能会简化系统中的复杂相互作用。

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