億金電子在前面的文章中講了關(guān)于石英晶振頻率調(diào)整的一些理論以及實驗研究,我們知道了調(diào)節(jié)激光器的電流和激光掃描時間到適當(dāng)?shù)闹?/span>,是可以實現(xiàn)對石英晶體振蕩器進(jìn)行頻率微調(diào)的,初步實驗達(dá)到了khLz數(shù)量級的頻率微調(diào)量。下面億金電子要給大家講解石英晶振對激光產(chǎn)生的折射率以及吸收系數(shù).

激光束入射到晶振材料表面,在材料表面會發(fā)生反射、散射、吸收等,要進(jìn)行激光輻射的熱效應(yīng)理論計算,首先要知道有多少輻射能量被石英晶振材料吸收。對于透明或半透明的材料,需要測量材料的反射率和透射率,而對于不透明材料,只需要測量其反射率就足夠了。

從微觀來看,激光對石英晶振的作用是高頻電磁波對物質(zhì)中自由電子或束縛電子的作用,晶振對激光的吸收與物質(zhì)結(jié)構(gòu)和電子能帶結(jié)構(gòu)有關(guān)。金屬中存在大量的自由電子,在激光作用下這些自由電子受到光頻電磁波的強(qiáng)迫振動而產(chǎn)生次波這些次波形成了強(qiáng)烈的反射波和較弱的透射波,透射部分將被電子通過軔致輻射過程而吸收,繼而轉(zhuǎn)化為電子的平均動能,再通過電子與晶格之間的馳豫過程轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋?/span>

非金屬與金屬不同,它對激光的反射比較低,對應(yīng)的吸收比較高。石英貼片晶振電介質(zhì)對激光吸收與束縛電子的極化,單光子或多光子吸收,以及多種機(jī)制的非線性光學(xué)效應(yīng)有關(guān)。透明電介質(zhì)表面或石英晶振體內(nèi)的雜質(zhì)和缺陷往往強(qiáng)烈吸收激光,成為破壞的根源。半導(dǎo)體對激光的吸收有多種機(jī)制,以本征吸收最為重要,產(chǎn)生的電子一空穴對很快通過無輻射躍遷復(fù)合,將吸收的光能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋５入x子體是特殊條件下存在的電離氣體,蒸氣等離子體對激光有很強(qiáng)的吸收作用。

晶振折射率和吸收系數(shù)

光波(電磁輻射)在不帶電的、各向同性的導(dǎo)電媒質(zhì)中傳播時,服從麥克斯韋方程組。由麥克斯韋方程組出發(fā)可得

式中,激光在石英晶振介質(zhì)中的電場強(qiáng)度為E,E。和是自由空間的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率,E,是媒質(zhì)的相對介電常數(shù),σ是媒質(zhì)的電導(dǎo)率。對于磁場強(qiáng)度H也可獲得類似的議程。

現(xiàn)考慮沿x方向傳播的平面電磁波,取E的一個分量E,其表示式為

式中E。為E的振幅,a為角頻率,y為平面波沿x方向的傳播速度。(4.12)式代入到(4.1.1)式,得

因為光波在媒質(zhì)中的傳播速度v應(yīng)等于c/N,其中N是媒質(zhì)的折射率,c是真空中光束,因此,有

顯然,當(dāng)a≠0時,N為復(fù)數(shù),設(shè)

對于磁場強(qiáng)度分量H,可得出相似的式子

從上述兩個式子得知,σ≠0時,光波以c/h的速度沿x方向傳播,其振幅按eˉmxe的形式下降。這里n是通常的晶振折射率,而x則是表征光能衰減的量稱為消光系數(shù)。因此,光強(qiáng)按e2mx衰減,即

引入比例系數(shù)a,得:=-aI,積分可得:

a稱為媒質(zhì)的吸收系數(shù),它的物理意義是:光在媒質(zhì)中傳播1/α距離時能量減弱到原來能量的1/e。將(4.1.8)、(4.1.9)式相比,得吸收系數(shù)：

當(dāng)σ=0時,n=√G,,κ≈0。這說明對于非導(dǎo)電性材料,沒有光吸收,材料為透明狀。在電介質(zhì)中,電磁波沒有衰減地傳播;而在導(dǎo)電媒質(zhì)中,如在金屬和半導(dǎo)體,石英晶振晶體中,波的振幅隨著透入的深度而減小,即存在光吸收。