共振增强的多光子激发光电发射技术在非线性光学与光子学中的应用

第14章讨论了在由原子或分子组成的材料中的多光子吸收过程，在这些情况下，多光子的吸收行为实际上是由原子或分子的外壳层价电子所决定的，因而，多光子吸收的基本概念和理论描述也适用于多光子光电激发过程。在这种描述中，用虚能级表示的中间状态的概念尤为重要。只有经由这些中间能态，价电子才能同时吸收多个光子的能量后，从表面上发射出去。与此同时，理论上亦可以证明，当参与以上过程的一个中间态与表征金属电子的某一镜势能级十分接近时，多光子光电激发的概率可以得到显著的共振增强。

图15-4　双光子激发光电发射原理示意图

（a）非共振双光子激发；（b）近共振双光子激发；（c）共振双光子激发（A）以及两个级联单光子激发（B）

如图15-4所示，以双光子激发的光电发射为例来说明3种可能发生的情况。图15-4（a）中，只有一束光子能量hv远小于功函数φ的激光入射到金属表面，而且双光子吸收跃迁所经历的中间状态（虚能级）远离电子的任何一个实激发能级，这时发生的是非共振双光子光电发射过程，将观察到被发射出的电子集合具有一种连续的动能分布。图15-4（b）中，当单个入射光子能量仍低于φ，但双光子吸收跃迁所经历的虚能级非常接近于描述电子的某一镜势能级时，这种跃迁的概率将大大增加，这对应于近共振激发的情况。进一步，如图15-4（c）所示，如果有两个不同频率的激光束入射，可以产生频率非简并的双光子（hv1+hv2）吸收跃迁，当这种跃迁所经历的虚能级与电子的某一镜势能级准确重合时，这种跃迁的概率达到极大，这对应于准确共振激发的情况，此时将在发射电子的动能谱适当位置处，观测到共振引起的尖峰。对图15-4（c）的情况，动能谱中的共振峰将位于以下位置：

这里En是参与共振作用的镜势能级与真空能级的能量间距。基于这种原理，可以通过测定光电子动能谱中的不同峰值位置，间接给出光电发射材料的镜势能级结构。

在图15-4（c）的共振激发情况下，有两种不同的物理机制可以导致实验观察到的动能谱共振峰：一种是同时的双光子吸收（A），而另一种则是两个级联的单光子吸收（B）。后一种机制，实质上包含两个相继发生的单光子吸收过程：首先是一个价带电子通过吸收一个hv1光子而被激发至一个镜势能级，然后是上述被激发的电子可进一步吸收另一个hv2光子而脱离表面。这两个事件并不一定发生在同一时刻，这意味着即使频率为v2的第二个（探测）激光脉冲晚于频率为v1的第一个脉冲入射，仍有可能看到共振峰值信号，这是因为由第一个脉冲激发的电子，可在镜势能级上停留一段有限的时间。相比之下，一旦两个激光脉冲的相对延迟大于脉冲宽度，则第一种机制（A）的贡献就消失了，而第二种机制（B）的贡献仍可存在。一旦前后两个激光脉冲的间隔大于所涉及的镜势能级的寿命，第二种机制的贡献亦将消失。基于这一原理，用改变两入射激光脉冲延迟的方法可以间接测量镜势能级的寿命。

图15-5是一种同时具有能量和时间分辨能力的，用于测量双光子激发光电子发射特性的实验装置原理图，该装置由3个基本部分组成：(https://www.xing528.com)

（1）超短脉冲激光源。它通常可提供两个脉冲持续时间短于100 fs的激光束，其中波长在紫外区的一束作为激励光脉冲使用，另一束波长在近红外或可见区的作为探测光脉冲。

（2）光学延迟控制系统。通过一种适当的光路延迟设计，可以连续改变上述两个脉冲之间的时间间隔，从而可测定有关镜势能级的寿命。

（3）超高真空室系统。用于在其内放置被研究的金属样品和一个电子能量分析器，并允许两束激光被粗略聚焦在样品的同一表面区域。

图15-5　利用出自超短脉冲激光源输出的两束不同频率的脉冲光束，进行双光子激励光电发射研究的实验装置

在多数实验研究中，所使用的激光源主要是一个锁模和Q调制钛宝石激光振荡/放大器系统，输出脉冲激光波长为800 nm，脉冲持续时间≤100 fs。上述主输出光束或者它的二次谐波，可用作探测脉冲光束，而主输出光束的三次谐波可以用作激励脉冲光束。

被研究的金属样品被放置在一个经特别设计的超高真空室内，气压通常低于10-10 Torr。样品表面应经机械和化学抛光，并施以多次溅射清洗和退火处理，而样品温度亦可根据需要加以控制。出自样品表面被发射出的电子动能分布以及时间动态特性，可以被一个与真空室相连的电子能量分析器加以测定。通常，激光束以p偏振光形式（电矢量平行于入射面）按45°角入射到样品表面，而被发射的电子束则沿表面法线方向进行探测。如果需要研究发射电子束的角度弥散行为，则可以通过旋转样品而改变法线与探测方向间的夹角。在样品表面处的激光强度不应过高，以避免光热效应和空间电荷效应，因后者可能导致光电子能量分布的失真。