（光学专业论文）光折变亮表面波及暗表面波的研究.pdf

南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：徐五皂 埘年岁月2 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 解密时间：年月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下： 内部5 年( 最长5 年，可少于5 年) ；秘密 k l o 年( 最氏l o 年，可少于1 0 年) l 机密 k 2 0 年( 最长2 0 年，可少于2 0 年) i ，。一，。一，。一一。一，。，。一 。j ! 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：徐五惠 瑚年r 月2 6 日 摘要 摘要 近年来一种新型的非线性表面波光折变表面波( p h o t o r e f r a c t i v es u r f a c e w a v e ，p rs w ) 引起了人们浓厚的兴趣。光折变表面波是一种可沿光折变晶体 表面狭层空间传播的光波，其能量被约束在晶体表面狭层空间，光场从表面到 体内逐渐衰减。光折变表面波在光诱导表面非线性光学技术，表面探测、集成 光学、光信号处理和表面光子器件设计等方面有着潜在的应用。 对于光折变表面波的研究，国外已有少数学者进行此方面的研究，但也只 是刚刚起步，而国内对此方面的研究尚未得到开展。按照光折变效应的三种形 成机制，光折变表面波分为三类，即基于扩散机制、扩散和漂移机制以及扩散 和光伏机制的光折变表面波。目前在以扩散机制为主的b a t i 0 3 晶体和以漂移机 制为主的s b n 晶体中均有光折变表面波的理论分析和实验研究，但这仅局限于 光折变亮表面波。以光生伏打效应为主的l i n b 0 3 晶体中的光折变表面波只有我 们实验室课题组在研究。 在本论文中，我们加深了以往对光折变表面波的认识，认为光折变表面波 有亮暗之分，首次提出了“光折变暗表面波”的概念，并针对l i n b 0 3 晶体中的 光折变亮表面波及暗表面波进行了研究。主要内容及结论有： ( 1 ) 理论方面，基于带输运模型和标量波方程，我们得到了背景光辐照时 开路情况下扩散和光伏机制作用下的非线性方程，通过数值模拟得到了不同条 件时光折变表面波存在的各种形态，并对光折变表面波的模式和传播常数间的 关系进行了讨论。研究表明，光折变暗表面波只能在正交偏振的背景光辐照下， 在特定入射角度内才能形成。在此角度内，背景光的光强存在一定阈值，低于 这个阂值，光折变暗表面波会转化成亮表面波。 ( 2 ) 实验方面，我们用c c d 观察到了l i n b 0 3 晶体与空气界面处激发并传 播的光折变亮表面波，并初步探索了背景光辐照下的光折变暗表面波的形成过 程。 关键词：光折变表面波，扩散机制，光生伏打效应 a b s t r a c t a b s t r a c t r e c e n t l y , as p e c i a lt y p e o fn o n l i n e a rs u r f a c e w a v e - p h o t o r e f r a c t i v es u r f a c e w a v e ( p rs w ) h a sa t t r a c t e dp e o p l em u c hm t e r e s t p rs w i saw a v ew h i c he n s u r e s l i g h tp r o p a g a t i o ni nan a l t o wl a y e rn e a rt h es u r f a c eo ft h ep h o t o r e f r a c t i v ec r y s t a la n d e n s u r e se f f i c i e n tc o n c e n t r a t i o no fl i g h tp o w e ri nt h en a r r o wl a y e rn e a rt h es u r f a c e t h ep r o f i l eo fp rs wd e c a y sf r o ms u r f a c et ot h ev o l u m e p rs wh a sag r e a t p o t e n t i a la p p l i c a t i o n i nt h ef i e l do fo p t i c a l i n d u c e ds u r f a c en o n l i n e a r o p t i c a l t e c h n i q u e ，s u r f a c ed e t e c t i o nt e c h n i q u e , i n t e g r a t e do p t i c s ，o p t i c a ls i g n a lp r o c e s s o ra n d s u r f a c ep h o t o n i c sd e v i c e af e wr e s e a r c h e r sa b o a r dh a v ei n v e s t i g a t e dt h ep rs w , b u tt h ef i e l di so n l yi ni t s i n f a n c y h o w e v e r , t h e r eh a sn o ta n yd e v e l o p m e n t a th o m e a c c o r d i n gt ot h e p h o t o r e f i a c t i v em e c h a n i s m , p rs w sa r es o r t e da sd i f f u s i o nt y p e ，d i f f u s i o n - d r i f tt y p e a n dd i f f u s i o n p h o t o v o l t a i ct y p e p rs wu n d e rd i f f u s i o nm e c h a n i s m ( s u c ha sb a t i 0 3 ) a n dd r i f t d i f f u s i o nm e c h a n i s m ( s u c ha ss b n ) h a sb e e ns t u d i e db o t ht h e o r e t i c a l l ya n d e x p e r i m e n t a l l y t ot h eb e s to fo u rk n o w l e d g e ，p rs we x c i t e do nt h eb o u n d a r yo f p h o t o v o l t a i c p h o t o r e f r a c t i v ec r y s t a l s u c ha sl i n b 0 3h a sb e e nn u m e r i c a l l ya n d e x p e r i m e n t a l l ys t u d i e do n l yb yo u l g r o u pr e c e n t l y i nt h i sd i s s e r t a t i o n , w eh a v eg a i n e dab e t t e ru n d e r s t a n d i n go fp rs w , a n dw et h i l l k p rs wi n c l u d e sb r i g h ta n dd a r ks u r f a c ew a v e ，f o rt h ef i r s tt i m e ，w ep u tf o r w a r dt oa n e w n o t i o n 一一p h o t o r e f r a c t i v ed a r ks u r f a c ew a v e ( p rd s w ) ，a n dh a v es t u d i e dt h ep r b s wa n dp rd s wo nt h eb o u n d a r yo fl i n b 0 3 t h em a i nc o n t e n ta n dc o n c l u s i o no f t h i sd i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w i n g ： ( 1 ) t h e o r e t i c a l l y , b a s e do nb a n dt r a n s p o s i t i o nt h e o r ya n ds c a l a rw a v e sf u n c t i o n ，w e d e r i v ean o n l i n e a re q u a t i o ni n c l u d i n gd i f f u s i o na n dp h o t o v o l t a i cm e c h a n i s mw i t ha c o h e r e n tu n i f o r mb a c k g r o u n di l l u m i n a t i o nu n d e r o p e n - c i r c u i tc o n d i t i o n s t h e p o s s i b l ec a s e so fe x i s t e n c eo fp rs wi np h o t o r e 丘a c t i v ec r y s t a l a r ea n a l y z e d t h e o r e t i c a l l ya n dn u m e r i c a l l y t h em o d e so ft h i st y p eo fs u r f a c ew a v e sa n dt h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e nm o d e sa n d p r o p a g a t i n g c o n s t a n t sh a v e b e e ns t u d i e d t h e o r e t i c a l l yf o r t h ef i r s tt i m e i ti ss h o w nt h a tp h o t o r e f r a c t i v ed a r ks u r f a c ew a v e sc a n b ef o r m e do n l yo nt h eb o u n d a r yo fp h o t o v o l t m cc r y s t a lw i t hac o h e r e n tb a c k g r o u n d 1 1 1 目录 目录 第一章绪论1 第一节光折变表面波的研究背景及意义1 第二节光折变表面波的研究进展2 1 2 。1 基于扩散机制的光折变表面波2 1 2 2 基于扩散和漂移机制的光折变表面波4 1 2 3 基于扩散和光伏机制的光折变表面波7 第三节本文的研究内容7 第二章光折变效应理论9 第一节光折变效应的物理机制及其特征9 第二节光生伏打效应及其特征1 1 第三章扩散和光伏机制下光折变表面波理论1 5 第一节带输运模型1 5 第二节光折变表面波的数值模拟结果及特性分析1 7 第三节背景光对光折变表面波的影响2 4 第四章光折变表面波的实验研究及结果分析2 7 第一节光折变亮表面波的实验研究2 7 第二节光折变暗表面波的实验研究2 9 第三节光折变表面波的实验结果分析3 0 第五章总结与展望3 2 参考文献3 4 致谢3 7 个人简历在学期间发表的学术论文及研究成果3 8 i v 第一章绪论 第一章绪论 第一节光折变表面波的研究背景及意义 表面波( s u r f a c ew a v e ，s w ) 是指沿两个介质的分界面传播的波，它在偏 离分界面时，振幅呈指数衰减变化。一般形成表面波的两个介质之一必须有负 的介电常数。在非线性光学领域内，以往对于表面波的研究工作主要围绕声子 型、表面等离子型、激子型表面极化声子等方面进行研究。近年来一种新型的 非线性表面波光折变表面波( p h o t o r e f r a c t i v es u r f a c ew a v e ，p rs w ) 逐渐引 起人们的兴趣。光折变表面波是一种可沿光折变晶体表面狭层空间传播的光波， 光场从表面到体内逐渐衰减，能量被约束在晶体表面狭层空间。当光束倾斜入 射到光折变晶体( p h o t o r e f r a e t i v ec r y s t a l ，p r c ) 表面上时，由于扩散产生的自偏 折与全内反射相平衡，此时能在晶体表面自感应产生光能量汇聚。光折变表面 波是一种以自聚焦或自偏折为激发手段的自诱导表面波，形成这样的表面波不 要求介质有负的介电常数。 铁电体具有较大的电光系数，已成为重要的非线性光学材料，并在光折变 非线性光学领域得到广泛的研究与应用。然而铁电体光折变表面波及相关的非 线性光学效应方面的研究工作还较少。对于光折变表面波，国外只有少数学者 进行此方面的研究，国内对此方面的研究尚未得到开展。目前，在以扩散机制 为主的b a t i 0 3 晶体和以漂移机制为主的s b n 晶体中均有光折变表面波的理论分 析和实验研究，但这仅局限于光折变亮表面波。以光生伏打效应为主的l i n b 0 3 晶体中的光折变表面波只有我们实验室课题组在研究。 在本论文中我们加深了以往对于光折变表面波的认识，首次提出“光折变 暗表面波”( p h o t o r e f i a c t i v ed a r ks u r f a c ew a v e ，p rd s w ) 的概念，目前光折变暗 表面波的研究工作在国内外尚未见文献报道。考虑扩散和光生伏打效应的影响 和背景光的作用，全面地研究光折变亮表面波及暗表面波的性质以及两者之间 的转化将有着十分重要的意义。预计未来几年随着表面探测技术及非线性光学 技术的发展，铁电晶体表面非线性光学效应和相关应用技术的研究将日益受到 国内外专家学者的普遍关注，率先开展此方面的研究将会使我们在这一研究领 域步入国际前列。 本论文的研究内容是表面非线性光学的前沿内容，研究结果将在表面非线 第一章绪论 性光学技术、表面探测、集成光学方面产生一定影响，并将能够用于表面二次 谐波发生器、表面波导等表面光子器件的开发，另外在物理的、化学的表面探 测及集成光学器件设计中也会发挥重要作用。因此本论文的研究在表面非线性 光学领域将具有十分重要的意义，它将加深我们以往对于光折变表面波的认识， 形成一个完善的理论体系。 第二节光折变表面波的研究进展 1 9 9 4 年r o nd m s y 和b a r u c hf i s c h e r 研究了扩散机制下当光从线性介质传播 到线性介质与光折变晶体界面时的光波性质。研究发现，如果光折变晶体具有 正的非线性折射率系数改变，当光束的入射角度处在线性全内反射角和由于非 线性产生的全内反射角之间时，会有双稳态产生，并且能在线性介质与光折变 晶体的界面处形成表面波【2 1 ，首次从理论上引出了光折变表面波，之后人们对光 折变表面波的研究在不断地深入。 在光折变效应中，自由载流子的迁移机制共有三种，即由于载流子浓度梯 度导致的扩散机制、外加电场引起的漂移机制和光生伏打效应。基于扩散机制 的光折变表面波的研究已形成较完善的理论体系并有相关的实验探讨；基于扩 散和漂移机制的光折变表面波的理论研究尚未形成统一的框架，实验上也少有 相关文献报道；基于扩散和光伏机制的光折变表面波目前只有我们实验室课题 组在研究。在实验上我们已经观察到无外加电场和背景光时l i n b 0 3 晶体与空气 界面处激发并传播的光折变表面波，但尚未深入研究表面波的形成特性。下面 依据载流子迁移的主要类型，简单回顾一下光折变表面波的研究进展。 1 2 1基于扩散机制的光折变表面波 基于扩散机制的光折变表面波的研究在理论方面已经形成比较完整的体 系。从研究方法上看，主要是通过标量波方程求解稳态条件下的解析解。 1 9 9 5 年，g s g a r o aq u i f i n o 等人从理论上得到了扩散机制下的光折变表面 波的解析解和各种可能的光折变表面波类型，同时给出了三种典型介质界面： 光折变晶体一理想金属界面、光折变晶体一线性电介质界面、光折变晶体一光 折变晶体界面处的光折变表面波的形态，并指出暗电导和非相干辐照不会影响 光折变表面波的光场分布的形式，只是会使光场从表面到体内的衰减变得缓慢 【3 】。图1 1 给出的是金属与p r c 界面处正弦振荡型和弛豫型的光折变表面波的场 2 第一章绪论 分布，图1 2 给出的是线性电介质与光折变晶体界面处正弦振荡型和弛豫型的光 折变表面波的场分布，图1 3 给出的是两块相同的光折变晶体在对称与反对称的 情况下的光折变表面波的场分布。 2 0 0 1 年，r a f a e lt o n e s c o r d o b a 等人从理论上研究了光折变表面波的形状和 二 董 耋 蔓 喜 1 铀l 八八_ ， v vv 二 善 量 重 薯 l h 厂二 萎卢阍茎1 一 x i 吐乞r l tl 翻i t j 一一 i ( a r l , t t r a r yq t 吐t ， ( a ) 图1 2 线性电介质与p r c 界面处的光折变表面波：( a ) 振荡型的表面波；( b ) 弛豫型的 表面波 稳定性与入射光束的具体形状之间的关系，研究发现当用方波照射两块不同的 光折变晶体的界面时会形成稳态的反对称的光折变表面波，当用高斯光束照射 两块不同的光折变晶体的界面时会形成准稳态的对称的光折变表面波垆j 。 实验方面，1 9 9 5 年，c r o n i n - g o l o m b 在4 5 度切割的b a t i 0 3 晶体与空气界面 处观测并验证了光折变表面波的存在，其贯穿深度约为6 1 a m 【6 j 。1 9 9 9 年， s m o l y a n i n o v 等人用近场光学显微镜观测到b a t i 0 3 晶体与空气界面处振荡型的 光折变表面波，指出近表面微米量级区域和整个表面波存在区域的传播层的性 3 第章绪论 质不同，近表面区域比其它区域折射率稍耐7 1 。 1 墨 喜 茎 薯 土 ，o ，1 0 k ： 暑 喜 蔓 喜 1 ，隧，麒 z 口 x f b i 啪i ，t m l r , o ) z口129 i ( m r b l t r m r yu 重t ， z 口 ( c ) ( d ) 图1 3p r c 与p r c 界面处的光折变表面波：( a ) 和( b ) 分别是对称和反对称的振荡表面波； ( c ) 和( d ) 分别是对称和反对称的弛豫表面波 1 2 2 基于扩散和漂移机制的光折变表面波 基于扩散和漂移机制的光折变表面波的研究，理论上至今为止还没有形成 统一的体系，但从研究方法上大致分为三类：基于光折变体孤子理论的解析法、 基于非线性薛定谔方程用有效粒子法对表面波进行数值模拟的方法和基于非线 性薛定谔方程对孤子自弯曲动态过程的数值模拟方法。 ( a ) 基于光折变体孤子理论的解析法 1 9 9 7 年，b e l y i 和k h i l o 对扩散和漂移机制下的光折变表面波的性质进行了 最初的理论研究【8 】。他们的基本思路是：直接利用以前推导得到的扩散和漂移机 制下的空间孤子解的形式，结合表面波的特征得到表面孤子的解。结论是可以 通过改变外加电场的强度和方向对光折变表面波的参数和类型进行控制。 2 0 0 1 年，z i m i n 和p e t r o v 同样用基于体孤子理论的方法讨论了光在光折变 晶体和各向同性的透明介质界面处反射时的双稳态现象【9 l ，得到达到双稳态的一 4 第一章绪论 个必要条件是入射角在全内反射角附近，且在此角度附近满足光学双稳态的外 加电场的阈值很小。其后，p e t r o v 在上述研究的基础上，从理论上具体分析了 s b n 晶体与各向同性的透明介质界面处的边界值问题，指出在各种类型的光折 变表面波中，只有孤子类型的表面波才可以存在于扩散漂移机制下的光折变晶 体与各向同性的电介质的界面处【l o j 。 ( b ) 基于非线性薛定谔方程用有效粒子法对表面波的数值模拟方法 1 9 9 8 年，a l e s h k e v i c h ，v y s l o u k h 和e g o r o v 用数值模拟的方法直接求解非线 性薛定谔方程，对p r c 与线性电介质、p r c 与金属界面处的光折变表面波进行 了分析，发现零阶孤子的波形由于扩散非线性的作用基本对称，而n 阶孤子波 形的峰值向体内逐渐递减。并且零阶孤子的峰值随传播常数的增加向界面处移 动，峰值强度随电场的增加而增加【l l j 。 2 0 0 1 年，a l s h k e v i c h ，k a r t a s h o v 和v y s l o u k h a n d 等人基于非线性薛定谔方程 利用有效粒子法研究了扩散和漂移机制下光折变表面波的特征及稳定性问题 1 2 - 1 3 】。他们将表面波简单近似为一种由于非线性摩擦作用引起的可能存在的机 械粒子，并运用有效粒子模型，推导出常微分方程和描述近表面光束轨道的势 能方程【1 2 】。他们认为，当光束偏离边界入射到光折变晶体中，在传播过程中由 于扩散非线性的影响，光束会朝边界自弯曲，并以一定的角度入射到晶体的边 界上。当入射角大于全内反射角时，光束会经历一个全内反射、自弯曲偏折回 边界的过程，进而形成周期性的近表面的振荡，如图1 4 ( a ) 所示；当入射角小 于全内反射角时，部分光束将折射到线性介质中，如图1 4 ( b ) 所示；当光束 86o- 2c2 t l ( a ) q c o ) 椎 ( c ) 图1 4 电介质和p r c 介面处的光折变表面波的传播特征：( a ) 入射角大于全内反射角； ( b ) 入射角小于全内反射角；( c ) 掠入射 5 第一章绪论 掠入射时，全内反射与自弯曲恰好平衡，形成一个稳定的光折变表面波，如图 1 4 ( c ) 所示。在此基础上他们对其理论做了进一步完善并对光折变表面波进行 了分类：非局域表面波、振荡波和局域表面波【l3 1 ，其中只有局域表面波具有有 限的能量。 ( c ) 基于非线性薛定谔方程对孤子自弯曲动态过程的数值模拟法 2 0 0 3 年，a l v a r a d o m e n d e z ，o j e d a - a g u i r r e 和s a n t o s a g u i l a r 等人在p r c 体 内孤子自弯曲的基础上，用数值模拟的方法直接求解非线性薛定谔方程得出了 表面处的孤子解形式，并对p r c 与空气界面处扩散漂移机制下的孤子的自弯曲 的动态过程进行了描述并讨论了扩散参数对其传播过程的影响【1 4 1 。 2 0 0 4 年，a l v a r a d o m e n d e z 和a n d r a d e - l u c i o 等人在上述研究的基础上，进 一步研究了在一维情况时由扩散和漂移机制形成的p rs w 的行为。由于漂移非 线性作用，孤子在非线性界面处反射却又自弯曲回到非线性界面。这个过程沿 着传播方向重复多次，形成准表面波，类似于图1 4 ( a ) 的情况。他们认为界面 的作用类似于一个有效的势垒，孤子能否透过这个势垒，取决于它的“动能 。 这个势垒的大小直接和孤子的强度成正比，而孤子的动能依赖于其速度，而孤 子的速度又是入射角的函数。他们提出稳态亮空间孤子的自弯曲是由光折变非 线性作用中的扩散机制引起的，并且扩敖机制在入射光束宽度小于载流子扩散 的范围时起重要作用。最后指出只有扩散参数) r 0 4 ( ，为扩散与漂移作用之比) 时表面波才能形成，图1 5 给出了表面孤子的波动行为与) ，的关系【i5 1 。 图1 5 空间孤子在非线性界面的传播特征：( a ) ) ，= 0 2 时光波沿界面传播；( b ) ) ，= 0 8 时光波在线性介质中损失能量 2 0 0 5 年，张天浩和路彦珍等人从实验上观测了扩散和漂移机制下s b n 晶体 6 第一章绪论 与空气界面处激发的光折变表面波，并得到了形成光折变表面波的条件及表面 波的特性【1 6 】。图1 6 ( a ) 、( b ) 左侧的亮线即为用c c d 观测到的光折变表面波， 外加电场后其强度发生了明显的增强【1 7 1 。实验发现，信号光与背景光的比值越 大越有利于光折变表面波的形成，而且外加电场越大光折变表面波的强度就越 强。 ( b ) 图1 6 扩散和漂移机制下铌酸锶钡( s b n ) 晶体与空气界面处的光折变表面波：( a ) 未加电场时的光折变表面波；( b ) 外加电场后的光折变表面波 1 2 3 基于扩散和光伏机制的光折变表面波 到目前为止，对于扩散和光伏机制下的光折变表面波的研究还较少，主要 是因为人们一般认为典型的光伏晶体( 如l i n b 0 3 ) 是自散焦介质，即a n 0 处 为l i n b 0 3 晶体，x 0 时，有 效回复力，为负值；职功 g ，圆一b m 地+ g o ，和x 轴有三个交点，阢= 0 和u 2 , 3 = 士 【位 一锄地+ 朗( b 一曲) “2 ，如图3 2 ( a ) 所示。，在明附近总存在引力，这个点 也是个稳定的平衡点，最后振荡收敛于0 ，但是这个点仅在复振幅很小的范围内 是稳定的。然而，f 在 3 附近一直为斥力，3 收敛于非零值，但这两个 点都是不稳定的平衡点，形不成光折变暗表面波。所以在这种情况下，只能形 成光折变亮表面波，如图3 2 ( b ) 所示。 ( 3 ) b g ，( g 一锄地+ g 0 ，f 和x 轴只有一个交点在吣) = 0 处，如图3 3 ( a ) 所示，但是这个点在研柏= 0 处一直存在斥力，不是一个稳定的平衡点。 在这种情况下是形不成光折变表面波的，如图3 3 ( b ) 所示。 ( 4 ) b g ，国一6 聊地+ g g ， 一b m ) i b + g 0 时有效同复力与光折变表面波复振幅的关系示意图； ( b ) 相应的光折变表面波光场分布，g = 5 2 6 x 1 0 1 0 m - 2 ，厶= 3 2 l 第三章扩散和光伏机制下光折变表面波理论 r 恻 酉 较 忙 表面波复振幅 ( a ) 图3 3 ( a ) b g ，q 一6 肌地+ g 0 时有效同复力与光折变表面波复振幅的关系示意图； 嘞相应的光折变表面波光场分布，g = 5 2 5 5 1 0 1 0 m - 2 ，l b = 8 r 腻 置 较 忙 表面波复振幅 ( a ) 馨 翠 蛾 燃 瞳 懈 图3 4 ( a ) b g ，( g b m ) i b + g g ，q b m ) l b + g 0 时能形成 光折变亮表面波，其光场吣) 具有可变空间频率的振荡衰减，在晶体内的振荡 尾一直收敛于0 ，如图3 1 ( b ) 和图3 2 ( b ) 所示。光折变暗表面波只有在满足 关系式b g ，( g 一锄) i b + g 0 时才能形成，暗表面波光场u 也是具有可变的 第二章扩散和光伏机制f 光折变表面波理论 空间频率的振荡，在晶体内的振荡尾收敛于觇，3 = 士 【 一砌地+ 朗( 6 一曲) u 2 ， 如图3 4 ( b ) 所示。从关系式中可以看出，当b 0 时只能形成光折变亮表面波，加的背景光使q 一锄池+ g g ，( g b m 池+ g 0 时能形成光折变亮表面波，在0 偏振的均匀背景光下满足关系式b g ，国一b m 池 + g o 形成的仍然是光折变亮表面波。当背 第三章扩散和光伏机制下光折变表面波理论 景光增加到q b m 池+ g = 0 ，即i b = g ( b m 一曲时，形成的是如图3 6 ( b ) 所示 的光折变表面波，此时的背景光光强值是个阈值。当背景光光强高于这个阈值 时，条件会变为( g 一6 聊地+ g 0 ，这时形成的是如图3 6 ( a ) ，3 6 ( b ) 所示的 光折变暗表面波。由此可见，背景光在光折变表面波的形成过程中起着重要作 用，在不改变入射角度的情况下，增加的背景光光强超过阈值时，光折变亮表 面波会转化成光折变暗表面波。 由前面有效回复力的方程( 3 2 4 ) f ：bu ， ( x ) + m l bu - g u ( x ) u 。( x ) + 厶+ 1 可以看出，随着背景光厶的增强，振子在hi x ) 处收敛的平衡位置酗= 士 【( g b m ) l b + g ( b 一曲) 眈在增加，所以光折变暗表面波的振幅在晶体内振荡衰减的收 敛值会随背景光的增强而增加。 图3 6 说明改变背景光的大小可实现光折变亮表面波及暗表面波的转化，这 为我们提供了一种可实时控制光折变表面波的途径，这在光开关、光转换等光 学器件等技术有着潜在的应用前景。 在本章中，我们基于带输运模型和标量波方程得到一维开路情况下o 偏振 背景光辐照时扩散和光生伏打机制下的非线性方程，然后依据提出的振子模型， 考虑相应的边界条件对这两种机制下的表面波进行数值求解，并对表面波特性 进行分析。结果表明，光折变表面波的形成原因是扩散和光生伏打效应共同作 用的结果。扩散非线性使得表面波光场从表面到体内逐渐衰减，其能量被聚集 在晶体表面狭层空间。在不加背景光的情况下只能形成光折变亮表面波，光折 变暗表面波在满足一定关系时才能形成。接下来在光折变表面波的激发理论上 以光折变亮表面波为例对传播常数( 即入射角) 对表面波模式的影响进行了探 讨。最后，探讨了一下背景光对光折变表面波的影响，通过改变背景光可实现 亮表面波及暗表面波之间的转化，这为控制光折变表面波提供了条件。 第四章光折变表面波的实验研究及结果分析 第四章光折变表面波的实验研究及结果分析 在光折变效应中，l i n b 0 3 ：f e 是自散焦介质，光激发载流子为电子，v 以 o 。 在不加背景光一维开路稳态条件下，l i n b 0 3 ：f e 晶体中的电流密度为 j = q , u 刀疋c + k e t # v n 一筋，= o ( 4 1 ) 扩散电流及光伏电流都与晶体c 轴o 轴正向) 反向，而空间电荷场导致载流 子( 电子) 向一c 方向迁移，从而形成与晶体c 轴同向的电流密度。在扩散非线 性的作用下光激发载流子会向一c 面迁移，使得能量聚焦在一c 面，也就是说只 有e 光倾斜入射到晶体一c 面与空气界面时才能得到表面波，光折变表面波只能 在晶体一c 面形成。 在上章中我们对光折变亮表面波及暗表面波的数值模拟结果进行了详细的 分析，在本章中我们通过实验来验证光折变亮表面波及暗表面波的存在。 第一节光折变亮表面波的实验研究 实验装置如图4 1 所示。沿c 向切割，z 方向( 即光轴方向) 极化的l i n b 0 3 0 0 3 f e ，其尺寸为9 9 5 l o m m 3 ( 石y z ) 。采用一束e 偏振的波长5 3 2 n m 的激光经焦距为4 7 c m 的正透镜聚焦后入射到晶体的一c 面，焦点大概在一c 面 全内反射点前后。晶体后表面的出射光经成像透镜后由光束分析仪( c c d ) 采 集。为防止c c d 中的接收光饱和溢出，在透镜前加了衰减片。激光器出射的光 斑直径为l m m ，入射光的功率为0 8 m w 。 l l 图4 1 光折变亮表面波的实验装置图 光折变表面波的形成需要一个过程，需要经过一定的响应时间后才能逐渐稳 定，所以我们通过c c d 实时观测输出面光场随时间的变化。在下面的图4 2 中 我们可以观察到当用e 光倾斜入射到晶体一c 面与空气界面时，光折变亮表面波 2 7 第四章光折变表面波的实验研究及结果分析 的形成会经历如下变化过程： ( c ) ( d ) 图4 2p 光倾斜入射到晶体- c 面时光折变亮表面波随时间的的形成过程：( a ) f = o ；( b ) f = 5 分钟；( c ) f = 1 0 分钟；( d ) f = 1 1 0 分钟 图4 2 ( a ) 为入射光刚照到晶体一c 面上时的图像。很快全内反射光束沿c 轴散开并逐渐向晶体与空气界面处偏折，5 分钟后大部分光能量偏折到晶体表面 并达到准稳态，如图4 2 ( b ) 所示。6 分钟后，全内反射光开始逐渐偏离晶体表 面，并且光斑尺寸逐渐变小，如图4 3 ( c ) 所示。到1 l o 分钟时，全内反射光束 基本上回到初始位置，并且光斑尺寸没有明显的变化，但是在晶体与空气的界 面处有明显的光能量滞留，其强度由晶体边界向体内衰减，如图4 2 ( d ) 所示。 我们认为边界处滞留的光能量就是激发的光折变亮表面波，放大后可以看到边 界滞留的能量是由明暗相间的细条纹组成的，这些条纹就是理论计算中表面波 光场的模式。当e 偏振光倾斜入射到l i n b 0 3 ：f e 晶体一c 端面时，由于扩散机 制导致光能量向一c 方向转移，所以表面波能够在晶体一c 端面与空气晃面处被 激发并能稳定地传播，其能量被约束在表面狭层空间。 第四章光折变表面波的实验研究及结果分析 我们发现光折变亮表面波的形成速度与入射光强有关，入射光强越大，表 面波的形成速度就越快。因为一般光激发载流子的强度正比于光强，高功率的 入射光强将会缩短空间电荷场的建立时间并促进光折变表面波的形成。 研究发现当e 光照射到其它表面时，界面处都没有光能量的滞留，均没有表 面波产生，这也和理论相符。 第二节光折变暗表面波的实验研究 观察光折变暗表面波的实验装置如图4 3 所示。沿c 向切割，z 方向( 即光 轴方向) 极化的l i n b 0 3 ：0 0 2 5 f e ，其尺寸为2 0 1 0 1 0 m m s ( x y z ) 。 采用一束e 偏振的波长为5 3 2 n m 的激光近似掠入射到晶体的一c 面。另外一台o 偏振的波长为5 3 2 n m 的激光经过两个焦距为15 m m 和3 0 e m 的正透镜扩束准直 成直径2 c r n 的均匀平行光，照在晶体的整个侧面上。晶体后表面的出射光经成 像透镜后由光束分析仪( c c d ) 采集。为防止c c d 中的接收光饱