多光子光电发射的早期观察结果

激光技术的出现，开启了研究多光子光电发射与光电导效应的新领域。人们发现，在高强度激光入射作用下，即使其波长远长于材料的“红限”波长，亦可以通过多光子激发（吸收）过程（参见第14章）而产生光电发射信号或光电导感应变化。此情况下，所测得样品的光电反应，不再与入射光强成简单的线性关系。以多光子激发的光电发射为例，所产生的光电流Icur与入射激光峰值光强I0之间有下述关系式成立：

式中，m为激发一个光电子发射所需要同时吸收的多光子数目。如图15-3所示，对于多光子激发光电子发射的基元过程而言，能量守恒要求入射光子的能量满足条件：

而如下的额外能量

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将变成被发射的自由电子的动能。这里Δ代表该电子占据的初始能级至费米能级的间距。由于处于费米能级之下电子的初始能级可以有连续的分布，因此即使对具有一定光子能量hv的单色入射激光而言，仍可观察到发射电子在真空中的连续动能分布。

图15-3　单光子（a）、双光子（b）和三光子（c）激发的光电子发射跃迁

利用合适波长的脉冲激光入射，最早在商用光电管和光电倍增管（PMT）中观察到多光子光电发射效应。例如，1964年，曾利用具Cs3 Sb光阴极光电倍增管，以1.06 μm的脉冲激光（hv=1.17 eV）入射，观察到双光子激发的光电发射［4］。此外，还曾在具有以钠（φ=2.3 eV）真空蒸镀制作光电阴极的PMT内，以波长为840 nm的脉冲激光（hv=1.48 eV）辐照，也观测到双光子激发的光电发射［5］。此两种情况下，均发现到光电流对激光强度的平方依赖性。

稍后，采用以金制作为光电阴极（φ=4.8 eV）的PMT并以694.3 nm的脉冲激光（hv=1.79 eV）入射，观察到三光子激发光电发射［6］。到了20世纪70年代，研究人员报道了利用锁模1064 nm脉冲激光辐照钨（φ=4.49 eV）阴极表面，观测到四光子激发光电发射［7］。进而，以脉冲宽度为30 ps的1 064 nm激光辐照1 mm厚的金阴极，还观测到五光子激发的光电发射［8］。所有这些早期的研究结果，基本证实了由式（15-8）表述的光电流对入射光强的非线性关系［4～9］。