（凝聚态物理专业论文）铁电类晶体光折变表面电磁波研究.pdf

摘要 铁电类晶体以其具有较大的电光系数而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。铁电材料在体光学非线性效应方面 的研究和应用已得到空前的发展和完善。相比之下对于此类物质表面光学非线性 效应的研究还很少，而表面光学非线性效应与体光学非线性效应其有显著的不 同，这方面的研究将具有重要的意义。 光折变表面电磁波是指一束自弯曲的光束经历了如下的循环过程：入射到 晶体的光束在晶体的表面发生全内反射，然后经过偏折回晶体的表面。通常所 说的表面电磁波是指沿两个介质的分界面传播的电磁波，并且在偏离分界面时， 其振幅呈指数地衰减。这种表面电磁波必定是横磁的( 孙妁。光折变表面电磁波 与通常的表面电磁波不同，当光折变晶体中产生的偏折能被全内反射所平衡， 此时能在晶体的表面产生自感应的光折变表面电磁波。 在光折变晶体中空间电荷场的形成机制有三种：扩散机制，漂移机制，光 生伏打机制。由光折变表面电磁波的研究进展可以看出扩散机制下的光折变表 面电磁波的理论已相当完善，并在实验中观察到光折变表面电磁波。扩散和漂 移机制下的光折变表面电磁波的理论没有形成统一的体系，只是从两个侧面进 行了研究，而且没有从实验上观察到扩散和漂移机制下的光折变表面电磁波。 光生伏打机制下的光折变表面电磁波还没有开始进行研究。 本文针对铁电类晶体的光折变表面电磁波进行了初步研究。主要的内容及 结论有： ( 1 ) 依据光折变效应的带输运模型从理论上分析了在光生伏打机制下的光折变 表面电磁波。( 2 ) 首次在实验中观察到扩散和漂移机制下在光折变晶体s b n 与空 气的界面形成的光折变表面电磁波。这种光折交表面电磁波的形成条件是入射 光束与界面成5 5 0 ，且信号光与背景光比值越大越有利于光折变表面电磁波的形 成，外加电场越大光折变表面波的强度就越强。 关键词：铁电晶体光折变表面电磁波非线性 a b s t r a c t t h ef e r r o e l e c t r i cc r y s t a l sh a v eb e e ns t u d i e di nt h en o n l i n e a ro p t i c sf i e l da sa n i m p o r t a n tm a t e r i a lf o rt h e i rl a r g e re l e c t r o - o p t i cc o e f f i c i e n t t h ei n v e s t i g a t i o no n f e r r o e l e c t r i cc r y s t a l sa n dt h e i ra p p l i c a t i o n si nb o d yn o n l i n e a re f f e c t sa r ei m p r o v e d u n p r e c e d e n t e d l y i nc o n t r a s tt ob u l k ，t h es t u d i e so fs u r f a c en o n l i n e a re f f e c tf o rt h i s t y p eo fm a t e r i a la r ef a rf r o me n o u g h t h e r ea r es e v e r a lp r o b l e m sr e m a i n e dt ob e r e s o l v e db e c a u s eo ft h er e m a r k a b l ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h es u r f a c eo p t i c a ln o n l i n e a r e f f e c ta n dt h eb u l ko p t i c a ln o n l i n e a re f f e c t p h o t o r e f r a c t i v es u r f a c ee l e c t r o m a g n e t i cw a v e ( p rs e w ) o c c u r sw h e nas e l f - b e n t b e a mu n d e r g o e ss u c hac y c l ei nw h i c ht h eb e a md e f l e c t i o n st o w a r dt h ef a c eo ft h e c r y s t a la n ds u b s e q u e n tt o t a li n t e r n a lr e f l e c t i o n s t h ew a v et h a ti sg e n e r a l l yc a l l e da s s u r f a c ee l e c t r o m a g n e t i cw a v e ( s e w ) t r a n s m i t sa l o n gt h ei n t e r f a c eo ft w om a t e r i a l s a n dd e c a y sw i t ha ne x p o n e n t i a lf a c t o rw h e ni td e v i a t e sf r o mt h ei n t e r f a c e s o ，i tm u s t b et m p rs e wi sd l f f e r e n tf r o mt h en o r r n a ls e w t h i sn o n l i n e a rd e f t e c t i o nc a nb e b a l a n c e db yt o t a li n t e r n a lr e f l e c t i o na tt h ec r y s t a ls u r f a c et op r o d u c es e l f - i n d u c e dp r s e w t h em e c h a n i s mf o rt h ef o r m a t i o no fs p a t i a le l e c t r i cf i e l di np h o t o r e f r a c t i v ee f f e c t i n c l u d e s ：d i f f u s i o ne f f e c t ，d r i f te f f e c ta n dp h o t o v o l m i ce f f e c t t h et h e o r yo fp rs e w w i t hd i f f u s i o nm e c h a n i s mh a sb e e np e r f e c t e da n dt h ep rs e wh a sb e e nd e t e c t e di n e x p e r i m e n t t h et h e o r yo fp rs e w w i t hd r i f ta n dd i f f u s i o nm e c h a n i s mh a sn o tb e e n f o r m e dau n i f o r ms y s t e m t h ep rs e ww i t hd r i f ta n dd i f f u s i o nm e c h a n i s mh a sb e e n s t u d i e db yt w od i f f e r e n ts e t so fm e t h o d sa n di th a sn o tb e e nf o u n de x p e r i m e n t a l l y t h e t h e o r yo fp rs e w w i t hp h o t o v o l t a i cm e c h a n i s mh a sn o ty e tb e e ns t u d i e d t h es t u d i e si n t h i sd i s s e r t a t i o na r ea i m e da tt h ep rs e w i nf e r r o e l e c t r i cc r y s t a l t h ec o n t e n ta n dc o n c l u s i o nm a i n l yi n c l u d e ：( 1 ) t h et h e o r e t i c a la n a l y s i so fp rs e w w i t hp h o t o v o l t a i cm e c h a n i s mb yb a n dt r a n s p o r tm o d e lo fp h o t o r e f r a c t i v ee f f e c tf o r t h ef i r s tt i m e ；( 2 ) p rs e wa tt h ei n t e r f a c eb e t w e e ns b nc r y s t a la n da i rb a s e do nd r i f t a n dd i f f u s i o nm e c h a n i s mw h i c hi so b s e r v e de x p e r i m e n t a l l yf o rt h ef i r s tt i m e t h i s s b np rs e w c a nb ef o r m e dw h e nt h ei n c i d e n t1 a s e rb e a m i sa t a na n g l e 。f5 5 。， w h i c hi si nap r o p e r r a t i o 。fs i g n a lb e a mt ob a c k g r o u n db e a m ，a n dt h ei n t c i l s i t y 。f p r s e wi n c r e 踮e sw i t ht h ei n c r e a s i n go fa d d i t i o n a l e l e c t r i cf i e l d k e yw o r d s ：f e r r o e l e c t r i cc r y s t a l ，p h o t o r e f r a c t i v e s u r f a c ee l e c t 舢8 萨e t i 。w a v 。， n o n l i n e a r i t y 铁电类晶体光折变表面电磁波研究 第1 章绪论 早在1 9 0 9 年s o m m e r f e l d 就预言了表面波的存在，他们在各种各样的情况下 出现，在地球表面的地震波就是一例。声学领域对于表面波的研究已得到广泛的 发展和完善。近几十年在光学领域对表面波的研究也得到逐步发展，并拓展到非 线性光学领域。 近年来人们发现在具有非定域非线性效应的光折变晶体中有非衍射光束或 空问孤子的存在。在光折变晶体中研究空阔孤子无论是对于说明光折变作用的机 制还是对于实际中提高光学信息系统的应用都是很重要的。光折变晶体的空间边 界对于光折变响应以及传播光束的非衍射效应如同晶体体内一样都引起了人们 的兴趣。晶体的空间边界对于相联系的光波的作用最主要的是激发新的类型的 波一一光折变表面电磁波。从物理理论和实际应用两方面来说，界面上的表面电 磁波的研究和空间孤予的研究一样引起了人们的兴趣。表面非线性光学作为表面 探测的有竞争力工具，正得到日益系统的发展和完善。表面电磁波在表面传播具 有极高功率密度的特征，使表面电磁波的各种非线性光学效应得以产生和利用。 表面增强光谱特征将成为表面探测的有效工具，表面电磁波还将在光子器件设计 方面得到重要的应用。 1 1 光折变表面电磁波及其特点 表面电磁波( 舾i v , s u r f a c ee l e c t r o m a g n e t i cw a v e ) 指的是沿两个介质的分界 面传播的电磁波，并且在偏离分界面时，其振幅呈指数地衰减。在一般的介质中 形成表面电磁波的两个介质之一必须有负的介电常数0 3 。近年来一种新型的非线 性表面电磁波一光折变表面电磁波( p rs e w ，p h o t o r e f r a c t i v es u r f a c e e l e c t r o m a g n e t i cw a v e ) 的研究逐渐引起人们的关注。光折变表面电磁波是指一束 自弯曲的光束经历了如下的循环过程：入射到晶体的光束在晶体的表面发生全内 反射，然后经过偏折回晶体的表面。当激光束在光折变晶体中产生的偏折能被全 铁电类晶体光折变表面电磁波研究 内反射所平衡，此时能在晶体的表面产生自感应的光折变表面电磁波。形成这样 的光折变表面电磁波不必非有负的介电常数介质。这种非线性的光折变表面电磁 波一般可在光折变晶体与空气的界面、光折变晶体与电介质的界面或光折变晶体 与另一种光折变晶体的界面形成。 “表面电磁波”通常使人联想到定域在表面或局限于表面附近区域的能量的 流动。这对于表面声波或特定种类的地震波是正确的，然而对于我们要讨论的光 折变表面电磁波并非如此。对于光折变表面电磁波在通常的情况下，边界仅仅是 用来导波的，因为大部分波的能量并不是定域在表面附近，更准确的说，由于传 导边界的存在使得波的能量能够沿着边界传播下去1 2 j 。 1 2 光折变表面电磁波的研究进展 现在正在研究的光折变表面电磁波主要有两种基本的类型，即：扩散机制 f 的光折变表面电磁波与扩散和漂移机制下的光折变表面电磁波。目前此方面的 研究仍处于探索阶段。主要工作大多围绕理论研究展开，实验上对现象的观测较 少，尤其扩散和漂移机制下的光折变表面电磁波实验研究尚未见报道，相应而言 其应用研究更少。 1 2 1 基于扩散机制的光折变表面电磁波 1 9 9 4 年r o nd a i s y 和b a r u c hf i s c h e r 等研究了在扩散机制下，当光从线性 介质传播到线性介质与光折变晶体的界面时的光波性质。当光折变晶体有正的非 线性折射率系数改变时，若光波以入射角是在线性的全内反射角和由于非线性产 生的全内反射角之间入射时，研究发现有双稳态产生。此时，在光折变晶体与线 性介质界面处就有隐失波产生，即，在线性介质与光折变晶体的界面会形成光折 变表面电磁波【3 1 。这是历史上首次从理论上引出了光折变表面电磁波。 ( 1 ) 理论研究 此方面研究已经形成一个较为完整的理论框架。从研究方法上看主要通过带 2 铁电类晶体光折变表面电磁波研究 周期性得到光放大的增强。当扇形光束很大时，扇形光由晶体表面反射重定向， 这使得我们能把它作为泵浦光，进而增加光放大的净增益。 总之，光折变表面电磁波的研究具有非常广阔的前景。 1 4 研究内容 光折变效应的特点是在光折变晶体内建立空间电荷场。而在光折变晶体中 空间电荷场的形成机制有三种：扩散机制，漂移机制，光生伏打机制。由光折 变表面电磁波的研究进展可以看出扩散机制下的光折变表面电磁波的理论己相 当完善，并从b a t i 0 3 中观察到光折变表面电磁波。扩散和漂移机制下的光折变 表面电磁波的理论没有形成统一的体系，只是从两个方面进行了研究，而且没 有从实验上观察到扩散和漂移机制下的光折变表面电磁波。光生伏打机制下的 光折变表面电磁波还没有开始进行研究。 本文将在此基础上，对光折变表面电磁波进行分析研究。主要包括以下两方 面： f 1 1 实验上观察扩散和漂移机制下的光折变表面电磁波。 ( 2 ) 理论上研究光生伏打机制下的光折变表面电磁波。 6 铁电类晶体光折变表面电磁波研究 第三章实验 3 1 引言 由光折变表面电磁波的研究进展可以看出扩散机制下的光折变表面电磁波 的理论己相当完善，并分别用c c d 和近场光学显微镜从b a t i 0 3 中观察到光折变 表面电磁波。扩散和漂移机制下的光折变表面电磁波的理论没有形成统一的体 系，只是从两个方面进行了研究，而且没有从实验上观察到扩教和漂移机制下的 光折变表面电磁波。 本文将从实验上验证并观测扩散和漂移机制下在铌酸锶钡( s b n ) 晶体与空 气的界面处可激发光折变表面电磁波，并在实验中得出形成光折变表面电磁波的 条件和特点。 3 2 实验与结果 实验装置如图1 所示。我们用波长为5 3 2 n m 的单模固体激光器( 趣a ) 作 为光源。用分束器把入射光分为两束。其中信号光是一束非寻常偏振的光，背景 光是一束均匀的寻常偏振光。为了便于光折变表面电磁波的形成，我们把信号光 的强度调整为背景光光强的1 7 0 倍左右。这两束光经透镜l j 会聚后斜入射到晶 体上。透镜j 的作用是使得入射到晶体上的信号光的光束直径达到微米量级。 实验中用到的晶体是7 6 r a m 6 9 m m x 5 m m 的s b n 。晶体的c 轴方向垂直纸面。 沿晶体的c 轴方向加直流电压。极板尺寸与晶体上表面相等，并用银胶将二者 粘接。在晶体后用一c c d 对晶体后表面成像。实验中外加电场对c c d 的工作状 态没有影响。 铁电类晶体光折变表面电磁波研究 以一般在s b n 中形成体孤子需要几分钟，而在我们的实验中观察到形成光折变 表面电磁波的过程需要) l - t 一分钟。另外，在不同的电压下形成稳定的光折变表面 电磁波所需时间大致相同。 3 4 结论 首次从实验上验证并观测到在扩散和漂移机制下光折变表面电磁波的存在。 但是由于入射光波转化为光折变表面电磁波的效率不高，需要对实验条件和介质 性质的进一步改进和优化。我们将在以后的工作中进一步深入研究。对于光折变 表面电磁波的研究将有可能在表面探测技术和表面光子器件的开发等方面得到 应用。 铁电类晶体光折变表面电磁波研究 第四章总结与展望 非线性光学的研究已经从体扩展到面。这是最令人感兴趣和兴奋的事情，因 为它允许把非线性光学的领域和正在不断发展的表面科学的领域紧密地联系起 来。涉及表面电磁波的非线性光学就其本身来说就是一个有趣的课题。首先，由 于表醯电磁波被限制在边界上一个波长级数量级的薄层内，它的传播特性通常是 表面所特有的。这就意味着，它对表面上的很小的扰动可以是相当敏感的。其次， 如果能把大部分入射激光的能量耦合到表面电磁波里，表面电磁波的场强可非常 之高。因此，能够很容易观测到由这些表面电磁波的相互作用所产生的非线性光 学效应。 通常所说的表面电磁波是指沿两个介质的分界面传播的电磁波，并且在偏离 分界面时，其振幅呈指数地衰减。这种表面电磁波必定是横磁的( tm ) 。光折 变表面电磁波与通常的表面电磁波不同，当激光束在光折变晶体中产生的偏折能 被全内反射所平衡，此时就能在晶体的表面产生自感应的光折变表面电磁波。 4 1 论文总结 本文从光折变表面电磁波的全新角度出发，围绕扩散、漂移、光生伏打三种 机制，讨论了光折变表面电磁波的一些性质，并进行了相关的实验。主要工作和 成果包括以下几方面： f 1 ) 理论方面 理论方面，针对我们的工作，本文系统地讨论了扩散机制以及扩散和漂移机 制下的光折变表面电磁波。 本文具体地分析了光生伏打机制下的光折变表面电磁波，并给出了其解析 解，为以后光生伏打机制下的光折变表面电磁波的实验提供了理论依据。 ( 2 ) 实验方面 设计实验并通过实验观测到在扩散和漂移机制下的s 丑晶体与空气的界 面的光折变表面电磁波。这种光折变表面电磁波的形成条件是入射光束与界面成 铁电类晶体光折变表面电磁渡研究 5 5 0 ，且信号光与背景光比值越大越有利于光折变表面电磁波的形成，外加电场 越大光折变表面电磁波的强度就越强。 4 2 正在进行的工作及设想 ( 1 ) 扩散机制光折变表面电磁波的理论的进一步完善 在扩散机制下的光折变表面电磁波的理论中的振荡解不成熟，需进行进一步 的完善。 ( 2 ) 关于光生伏打机制光折变表面电磁波的实验 光生伏打光折变表面电磁波的理论工作已做了一部分，理论部分还有待进一 步的完善。并为以后的实验打下了一定的基础。 4 3 前景展望 光折变表面电磁波为我们打开了表面物理的大门。我们看到，这是个充满 挑战，尚待开发和深入研究的领域。尽管国内外这方面的研究刚刚起步，但目前 获得的一些成果已显示了这一领域的广阔的理论研究和技术应用前景。 铁电类晶体光折变表面电磁波研究 研究成果 1 张天浩，路彦珍，康慧珍，( 第= 二作者) ，s b n 光折变表面电磁波的实验，物 理学报( 已接受) 2 t i a n h a oz h a n g ，d a p e n gy a n g ，y a n z h e nl u ，( 第三作者) ，t h e o r e t i c a lr e s e a