強場效應

強場效應是由多光子電離過程產生，是指當電場E>Ed（10³V/cm）時，μ不在是一個常數，vd隨著E的增大而趨於一個定值（飽和漂移速度），此時歐姆定律不再成立。

基本介紹

• 中文名：強場效應
• 外文名：Strong field effect
• 描述：多光子電離過程產生
• 套用：自電離現象
• 學科：物理

概念

強雷射非線性條件下分子的多光子電離過程呈現出較為明顯的強場效應。由於這種效應不能用傳統的量子微擾論來處理，“綴飾態”模型方法提供了物理圖象清晰的處理光與物質相互作用的方案。基於含時波包動力學的基本理論，將雷射場看作經典場，利用“綴飾態”模型研究了強場下雙原子分子(NO、RbI等)的多光子電離過程。研究表明，雷射場的強度、泵浦-探測脈衝延遲時間等對多光子電離光電子能譜的形狀有著重要的影響，而這種影響是由光誘導勢引起的。另外，在研究具有兩個連續態的RbI 體系時，自電離現象的發生也與勢能面的交叉密切相關，並受外場強度的影響。

雙原子分子多光子電離強場效應

研究背景

強短脈衝雷射下分子的光離解行為引起了眾多科研工作者的興趣。人們所關心的一個中心問題是，強場和分子的相互作用是否會給出一些新的現象，而這些現象在通常條件(比如低強度、寬脈衝)下又很難發生。人們研究最多的分子是H₂並由此給出了若干強場效應，比如鍵軟化(bondsoftening)、超閾值電(解)離(above-threshold ionization or dissociation)等，“綴飾態”圖像(dressedstates picture)對這些現象進行了簡單的解釋。利用這種方法，人們還研究了Na₂，NaI，N₂等雙原子分子在強場下的動力學行為，給出了許多非常有意義的結論。

利用含時波包動力學理論並藉助於“綴飾態”模型，我們對NO，RbI 等雙原子分子在飛秒雷射場下的光電離動力學行為也進行了研究，得到了多光子電離光電子能譜(MPI PES)的強度和峰位隨外場強度和泵浦-探測脈衝延遲時間變化的規律，同時還對具有兩個連續態的RbI分子在外場下的自電離現象進行了分析研究，給出了強場效應。所得結論對研究多原子分子強場下的動力學行為同樣具有借鑑作用。

NO分子光電子能譜中的強場效應

我們首先採用五態模型計算模擬了NO分子飛秒雷射場下多光子電離的光電子能譜，與實驗結果比較，模擬結果是令人滿意的(見圖 1)。

從圖中可以看出，隨著光強增加，能譜的強度增加，而強度的增加是由於各電子態上的粒子數增加引起的。研究表明，光強和譜強的這種對應關係並不總是一致的，有時還會出現相反的趨勢。在右邊的三個圖中，隨著光強的增加，對應於C2Ⅱ態粒子數的右峰將會升高，這是由於在強場的作用下，第一激發態勢能面A2Ⅱ將會向 C2Ⅱ移動並參與這個位置的電離。左圖(時間延遲 0 fs)與右圖(時間延遲 400 fs)比較在其它位置上也出現了譜峰，這些峰位是勢能面的交叉耦合引起的，所對應的狀態在右圖中又稱作“暗態”。由於耦合強度也隨著光強變化，這些“暗態”在成為“可見態”後，其右圖中所對應的峰高也會隨之發生變化。

圖 1 NO光電子能譜計算結果

RbI分子的光電子能譜以及自電離現象

Kang 等人利用飛秒泵浦-探測脈衝給出了RbI分子光電離的實驗結果。利用具有兩個連續態的五態模型，我們對這個體系進行了動力學計算，所得結果見圖2。由於泵浦-探測延遲時間較長時 RbI 分子的光解現象將非常明顯，我們將延遲時間限定在300 fs以內。

圖 2 模擬得到的RbI分子多光子電離光電子能譜

在所考慮的延遲時間內，本結果與實驗結果比較還是令人滿意。從圖 2 可以看出，由於模擬方案包括兩個不同的電離過程，每一個光電子能譜由兩個信號組成，其中0.4～0.8 eV能量範圍對應於三光子電離，可以認為是Rb( 5s)-I_1/2態與 Rb+ -I_1/2態的能量差。利用經典軌線方法，Kang 等人給出當延遲時間較小時(50 fs 和 100 fs)三光子電離過程的光電子能量大約是0.8～0.9 eV。而在我們的工作中，由於考慮了強場效應，所給出的光電子能量是0.7～0.8 eV，這與實驗給出的結果是一致的。

PZT壓電陶瓷的強場效應研究

壓電材料是一種重要的電子材料，廣泛用於各個工業部門和高科技領域，是重要的功能材料。由於壓電馬達、壓電變壓器和壓電換能器的廣泛使用，大功率壓電陶瓷材料也逐漸成為近期的研究熱點。大功率壓電陶瓷主要套用於高電壓和高壓力策動及系列大功率發射型超聲換能器、水聲換能器及大功率遠程聲納換能器等方面。這要求換能器材料具有機械品質因數高，強電場下介質損耗小和壓電性能好等高性能特點。要求大功率壓電陶瓷材料的介電損耗小，尤其是在強場下(如 200V/mm以上)工作，不至於因損耗而過熱，最終導致壓電材料性能下降。大功率材料的性能需要有較好的穩定性才能適應其在強場下的套用。

不同場強下的介電常數與溫度變化分析

圖3為樣品在不同場強下的介溫圖譜。由圖可知，在不同強度電場下，樣品的介電常數均隨溫度的升高而增大。對比各條曲線的斜率，隨著電場強度的增大，介溫曲線的斜率變小。無偏場時的介溫曲線上升的幅度最大，20℃時無偏場下樣品的介電常數值最小，而在高溫70℃時卻比在其他各場強下測得的值都大。400V/mm 場強下的介溫曲線斜率最小，介電常數隨溫度上升最平緩。在高溫70℃時，強場400 V/mm下樣品的介電常數比在其他強度電場下都小。可見，隨著外加電場的增強，樣品介電常數的溫度穩定性變好，本材料作為大功率壓電材料在強場下具有較好的適應性。

圖 1 不同場強下PZT的介溫曲線

介電損耗機理的探討

電介質的介電損耗是指電介質在單位時間內每單位體積中 , 將電能轉換為熱能而消耗的能量。介電損耗是壓電陶瓷的重要品質指標之一，大功率壓電陶瓷材料的損耗越小越好，如果材料的損耗大，就易發熱而毀壞。

壓電陶瓷的介電損耗又稱介質損耗，分為漏電流損耗、介質不均勻所引起的損耗和電極化引起的損耗等三種。在交變電場下，介質中不僅有電導過程存在，還有周期性變化的極化過程存在，因此，介質損耗除與電導過程有關外，還與介質內的極化過程有關。當壓電陶瓷在交變電場的作用下，陶瓷的極化狀態就發生變化，這種極化狀態的變化往往跟不上交變電場的變化，而出現滯後現象，這就造成了壓電陶瓷的介電損耗。

研究結論

(1)隨著外加電場強度的增大，介溫曲線的斜率變小，樣品介電常數的溫度穩定性變好。

(2)室溫時，介電常數隨場強的增大先增大後減小，在200 V/mm場強下達到最大；高溫時，從整體上來看介電常數隨場強的增大有下降的趨勢。

(3)材料的介電損耗在無外加偏場時最小，隨著外加電場的增大而增大，當外加電場從0升至400V/mm時，介電損耗從0.16%增至0.38%，雖然，損耗值有所增加，但仍屬較小範圍，可見本材料較適合作為大功率壓電材料在強場下套用。