（凝聚态物理专业论文）光伏晶体光折变光学表面波研究.pdf

摘要 摘要 1 9 9 5 年，g s g a r c i a 0 u i r i n o 等人从理论上预言了非线性光折变表面波的存 在，并指出这种类型的表面波能够在具有扩散机制的光折变晶体表面自导。由 于表面波可以有效地聚集光能量，这导致很多非线性表面光学现象被显著的提 高。人们已经在实验中观察到了由表面波导致的二次谐波巨增强效应。 实验上，人们借助于c c d 及n s 0 m 观察到了在具有扩散机制的光折变晶体 如b a t i 0 3 与空气界面处激发的表面波的能量分布形态。另外，人们也从理论和 实验上研究了在具有扩散和漂移机制的光折变晶体如s b n 与空气界面激发的表 面波的特性。我们都知道，在光折变效应中，共有三种机制对载流子的迁移做 出了贡献，即由光强梯度分布引起的扩散机制、外加电场作用下的漂移机制和 光生伏打效应。就我们所知，到目前为止，在以光伏机制为主要载流子迁移机 制的光折变晶体( 如l i n b 0 3 ) 表面处的表面波的特性还没有被研究过。 就l n 妯0 3 等晶体而言，相对于扩散机制而言，光生伏打效应对载流子的迁 移做出了主要贡献。我们都知道，l i n b 0 3 晶体是自散焦介质，所以在晶体体内 没法形成亮空间孤子，也就不能借此办法提高光强密度。但是，我们发现在 l n 妯0 3 晶体与空气界面处可以形成光折变表面波从而为有效的光能量聚集提供 了可能性。 在这篇论文中，我们首次报道了在实验中观察到的在l 订妯0 3 晶体与空气界 面处激发并传播的光折变表面波，并且给出了表面波的数值模拟结果。我们发 现即便是在以光伏机制为主的光折变晶体中，扩散机制对表面波的形成也是必 要的。另外，我们对表面波形成过程中伴随的光束单方向散射现象也进行了理 论和实验上的探索。 关键词：光折变表面波，扩散机制，瞬时光栅非局域性，动态能量转移 a b s t r a c t a b s t r a c t i n1 9 9 5 fg s g a r c i a - q u i 血l oe ta 1 t l l e o 础c a l l yp r e d i c 钯dt h ee x i g t e n c eo f n o n l i n e 盯p h o t o r c t i v es u r f 如e 啪v e s rs w s ) w h i c h c a l lb es e l k h a n n e l e da l o n g t l l e 叫r f k eo f p h o t o r e 触c t i v ec r y s t a l sw i t hd i f 如s i o nm e c 衄s m b e c a u s eo fe f f i c i e n t c o n c e n t r a t i o no fl i g h tp o w e r ，m a i l yn o i l l i n e 盯s u r f 如eo p t i c a lp h e n o m e mw i l lb e s i g i l i 矗c 缸t l ye m m c e d g i 柚te l l h a n c e m e n to fs l l i f h c es e c o n d h 锄0 1 1 i cg e n e 瑚畸o n ( s h g )d u et o 皿l o t o r e 纳c 石v e s 眦f a c e删e se x c i 协t i o nh a v e b e e no b s e r v e d e x i ) e ：r i i m n t a l l y t h ep m f i l eo f p rs w sf o h m da tb a t i 0 3 - a i ri n t e r f ；l c e 诵也d i 伍l s i o nm e c h a i l i s m h 船b e e no b s e e qe x p e m n e n t a l l y 诵t hc c da n dn s o m p rs w s 、i m 血f i - d i 胁i 0 咀 m e c l l a i l i 锄h a v ea l s ob e e ns t u d i e db a mt l l e o r e t i c a l l ya n de x p e r i i n e n _ c a l l yi ns b n w e k n o wt l l a tm e r ea r e 廿l r e el 【i n d so fm e c h 锄i 滩c o n t r i b u t i l l gt o 也ep h o t o r e 如c d v e n o i l l i n e a r 毋，i 姗e l y d i f f b i o n c o m p o n e n t ， 血f tc o m p o n e n ta n dp h o t o v o l t a i c c o m p o n e n t t oo l l rk n o w n ，p rs w se x c i t e do nn 坞s u 而c eo fp h o t o r e t - m c t i v ec r y 刚 、啊t hd o m i i m n tp h o t o v o 崎ce f f e c th a sn o tb e e nr e s e a r c h e ds o 衍 a s 妇嬲l n 怕0 3c l y s t a le t c i sc o n c e m e d ，p h o t o v o l t a i ce 侬斌i sm a i n l y r e s p o i l s i b l ef o rn l e 在a n s p l 0 似i o no fc h a r 弘c 枷e r s ( e l e c 廿o i l s ) 趾dp l a y sm o r e i m p o n a 呲r o l ei nm ep h o t o r e 触c t i v ee 腩c tt h 趾d i t h i o nm e c l l a m s m ni s 、e u h l o w n 也a tl m 0 3 c r y s t a li sas e l f 二d e f o c u s i n gp h o t o r e 丘a c t i v em e d i ai l lw h i c hm g h t s p a t i a ls o l i t o nc 趾n o tb ef 0 h n e da n dt a k e na d v a n t a g eo ft oe n h a i l c eo 砸c a lf i e l d s 仃o n g l y h o w e v e rw ef i n d 也a tp rs w sc 趾b ee x c i t e da tt l l el i n b 0 3 - a i ri n t e r f 如e a 1 1 de m c i e n tc o n c e n 删o no f l i 曲tp 0 眦c a l lb er 硪i z e d i nt h i sp a p e r ，w cr e p o nm eo b s e r v 撕o no fp rs w se x c i t e d la ta i r - l i n b 0 3 ：f e i r l t e 血c ef o r l ef i r s tt i m ea n dt l 伦n 啪e r i c a ls i m u l a t i o ni sa l s og i v e n w ef i n d 岫 e v e ni 1 1l i n b 0 3 ；f ec r y s t a l 诚t hp h o t o v o h a i ce f f c c ta si t sd o m i n a mm e c h a l l i s mo f n o n l i n e 撕哆，t h ed i 丘缸i o nm e c h a i l i s mi sn e c e s s a r ) ，f o r 也ef o r i i l a t i o no f p rs w s a n d 也e 向咖【i n gp r o g r e s so fp rs w s 、】l ，i mas e l f 二d e n e c t i o nc o u r s eo ft h er e n e c t i v eb e 锄 h 鹪a l s ob e e ns n l d i e db o t ht h e o r e t i c a l l y 姐de x p e r i 删l y t t a b s t m c t k 呵w 0 r d s ：p h o t o r e 喇v es u d 缸ew a v e s ，d i 任缸i o nm e c h a i l i s m ，n 彻s i e n t 衔n g c d i s l o c a t i o n s ，d y n a m i ce n e 瑁y 衄l s f e p h o t o v o l t a i ce 丘融 i y 9 s 8 s 8 0 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：枷久目磐月二 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： 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，均己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： 年月日 第一章绪论 第一章绪论 表面波( s u r f ；l c ew 打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。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的研究。一 般形成表面波的两个介质之一必须有负的介电常数【l 】。近年来一种新型的非线性 表面波一一光折变表面波( p h o t o r e 觚d v es u 商o ew a v e ，p rs w ) 逐渐引起人 们的兴趣。光折变表面波又被称为表面孤子。当光束在光折变晶体 ( p h o t o r e 鼢t i v ec r y s t a l ，p r c ) 表面传播时，由于扩散产生的偏折能与全内反 射相平衡，此时能在晶体的表面产生自感应的p r s w 。p r s w 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。 1 9 9 4 年，r o nd a i s y 和b a m c hf i s c h e r 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。他们发现，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，有双稳态产生，并且在线性介质与光折变 晶体的界面会形成表面波【2 】，但尚未涉及真正意义上的光折变光学表面波。1 9 9 5 年，g s g a r c i aq i 】i r i n o ，j j s 缸c h e z _ m o n d r a g o n 和s s t 印锄o v 从理论上得到了 扩散机制下的p rs w 的解析解和各种可能的p rs w 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p rs w 的形态，这是历史上首次提出并深入研 究了光折变光学表面波。 由于光折变表面波在晶体空气界面附近传播，并且光波能量被约束在一个 狭窄的空间，因而具有很高的能量密度，这使得各种非线性效应得以增强，因 而p rs w 在光诱导表面非线性光学效应，表面探测，光信号处理和表面光子器 件设计等方面有着潜在的应用。 在光折变效应中，载流予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以及光生伏打效应。下面依据载流子 的三种迁移机制，简单回顾一下光折变表面波的研究进展。 第一章绪论 第一节光折变表面电磁波的研究进展 自从1 9 9 4 年r o nd a i s y 和b 唧c hf i s c h e r 历史上首次从理论上提出p rs w ， 人们对光折变表面波的研究在不断深入。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，而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限于理论研究。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电磁波的研究进展。 1 1 1 基于扩散机制的p r s w 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，主要是通过直接求解标量波方程得到稳态条件下的解析 解。 1 9 9 5 年，g s g a r c i ao u i 血o ，j j s 锄c h e z - m 0 n d 均g o n 和s s t 印a n o v 从理论 上得到了扩散机制下的p rs w 的解析解和各种可能的p rs w 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 晃面：光折变晶体一光折变晶体界面处的p rs w 的形态，并计算了p rs w 在介 质中的贯穿深度【3 】。图l 给出的是金属与p r c 界面处的p rs w 的场分布，图 1 ( 口) 表示的是正弦振荡的表面波，图1 ( 6 ) 表示的是由“浅”波和“深”波的线 性组合而得到的表面波，又被称为弛豫型的表面波。图2 给出的是线性介质与 光折变晶体界面处的情况。图3 给出的是两块不同的光折变晶体在对称与不对 称的情况下的p rs w 场分布。 1 9 9 6 年，q s g a r c i a0 l 】谢n o 等人在考虑了暗电导和非相干辐照的情况下具 体地分析了光折变晶体与电介质的界面处的表面波的性质【4 】，他们指出暗电导和 非相干辐照不会影响p rs w 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。2 0 0 1 年，r a f ；圯lt o 盯e s c o r d o b a 等人从理论上研究了表面波的形 状和稳定性与入射光束的具体形状之间的关系，他们发现当用方波照射两种不 同的光折变晶体的界面时会形成稳态的反对称的表面波，而当用高斯光束照射 两种不同的光折变晶体的界面时会形成准稳态的对称的表面波1 5 j 。 第一章绪论 - - c 八厂， vv v 属与p r c 界面处 波线性组合而得 ，、 一 厂厂， v v i “自n h u n _ ， ( a ) r ： - t 呐t ，t r ，_ n 町 f h ， ( 口) 正弦振荡的表面波；( 6 ) 由“浅” 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 二、 一 厂、厂，、 vv vvv v “育一( a ) 卜二 j j l - f i “t f ，吖t - 、u ( c ) p 婶 刀，歹、八 v v vv tt t i t - - t vu h i 一 ( b ) 二二 图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。 3 咀 l富苫雪奢暮暮-帕 第一章绪论 实验方面，1 9 9 5 年，c r o n 珏g o i o m b 在4 5 度切割的b a t i 0 3 晶体与空气界面 处观测到了光折变表面波从而证明了光折变表面波的存在，其贯穿深度约为 6 岬【6 j 。人们还利用了近场光学显微镜( n e 扑：丘e l ds c 趾血go 面c a lm i c r o s c o p e ， n s o m ) 来观察p rs w 的形态。1 9 9 9 年，s m o l y 趾i n o v 等人用n s o m 观测到了 b a t i 0 3 晶体与空气界面处振荡型的p rs w ，他们指出在晶体与空气界面处存在 一个尺寸在微米量级的过渡层，该过渡层的介电性质及光折变性质都与b a 砸0 3 晶体体内不同，它的折射率比体内高o 0 1 ，而光折变性质较弱【7 j 。 1 1 2 基于扩散和漂移机制的p r s w 1 1 2 1 理论研究 对扩散和漂移机制下的表面波的研究理论上至今为止还没有形成统一的体 系，但从方法上看大致分为三类：基于光折变体孤子理论的解析方法，基于非 线性薛定谔方程用有效粒子法对表面波波形进行数值模拟计算和基于非线性薛 定谔方程对孤子自弯曲动态过程的数值模拟计算。 ( a ) 基于光折变体孤子理论的解析方法 1 9 9 7 年，b e l y i 和k 1 l 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 最初的理论研究嘲。他们的基本思路是：直接利用以前所得到的扩散和漂移非线 性机制下在无边界的光折变晶体中推导出来的空间孤子解的形式，结合表面波 的特征，对表面处折射率参量修正为从而得到了表面孤子的解 a ( x ，z ) = e x p ( 请。面；z + p 。茸) ( s e c h ( p ，工) 】。 ( 1 1 ) 只、只和d 都是体孤子理论中所设的参量。通过分析上式的成立条件及d 和局 的大小和方向，得出五种类型的p rs w 。 2 0 0 1 年，z i m i n 和p e 的v 同样用基于体孤子理论的方法讨论了光在光折变 晶体和透明的各向同性介质界面处反射时的双稳态现象f 9 】。他们考虑了光波由透 明的各向同性介质入射到它与扩散和漂移机制下的光折变晶体界面并发生全内 反射的情况，得到了光折变表面波的解析解及全内反射角和阈值电压。他们发 现光学双稳态的形成有利于表面波的形成，并提出此时的能量反射率将不仅仅 是入射角的函数，还是外加电场的函数。达到双稳态的一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。 2 0 0 2 年，p e 仃o v 在上述研究的基础上，从理论上具体分析了扩散和漂移机 4 第一章绪论 制下的光折变晶体s b n 与各向同性的透明介质界面处的边界值问题。指出在各 种类型的表面波中，只有孤子类型的表面波可以存在于扩散漂移机制下的各向 同性的电介质与光折变晶体的界面处【1 0 1 。 图4 电介质和p r c 介面处的p r s w 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。 基于非线性薛定谔方程用有效粒子法对表面波波形的数值模拟计算 1 9 9 8 年，舢e s h k 耐c l l v y s l o u 姓和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p rs w 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，其峰值随传播常数 的增加而向界面处移动，而n 阶孤子波形的峰值逐渐递减，且分析了传播和反 射的特性【1 1 1 。另外，零阶孤子波形的峰值随电场的增加而增加。 2 0 0 1 年，舢s h k e v i c h ，k a r t a s b o v 和v y s l o u k l l 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p rs w 的特征与稳定性问题【1 2 _ ”】。 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，并运用有效粒子的模型，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 1 。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 非线性作用的扩散成分，光束会朝向边界自弯曲，并以一定的角度入射到晶体 的边界上，并针对全内反射，透射，掠入射三种情况分别进行了讨论。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4 ( b ) 所示；当光束掠入射时，反射光与自弯 曲恰好平衡，形成一个稳定的p rs w ，如图4 ( c ) 所示。在此基础上他们对其理论 做了进一步完善并对p rs w 进行了分类：非局域表面波，振荡波和局域表面波 第一章绪论 ”，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计算 2 0 0 3 年，a l v 啪d o m e i l d c z ，o i e d a a g i i i n _ e 和s 锄t o s - a g i i 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。他们提出在此 机制下，以二次曲线形式沿界面传播的孤子即表面孤子1 1 4 】。 2 0 0 4 年，a l m d o m e n d e z 和a n d 髓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，并且扩散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y 0 4 ( y 为扩散与漂移作用之比) 时表面波才能形成，图5 给出了表面孤子的波动行为与y 的关系【l “。 霉 图5 空间孤子在非线性界面的传播特征：( a ) y = 0 2 时光波沿界面传播；( b ) y 0 8 时光波在线性介质中损失能量。 1 1 2 2 实验研究 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铌酸锶钡 6 甜 呻 埔。聃 ” 。- 第一章绪论 ( s b n ) 晶体与空气的界面处激发的光折变表面波，并得到了形成表面波的条件 及表面波的特性【1 6 1 。图6 ( a ) 、( b ) 左侧的亮线即为用c c d 观测到的p rs w ， 外加电场后其强度发生了明显的增强【堋。实验发现信号光与背景光比值越大越 有利于光折变表面波的形成，外加电场越大光折变表面波的强度就越强。 图6 扩散和漂移机制下铌酸锯钡( 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p r s w ；( b ) 外加电场后的p r g w 。 1 1 3 基于扩散和光伏机制的p r s w 到目前为止，对于扩散和光伏机制下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，即疗 o ，不利 于光能量的有效汇聚，在体内只能形成灰孤子或者暗孤子，不能形成亮孤子。 但是有人发现利用外加背景光可以实现光伏非线性从自散焦到自聚焦的转变 【1 8 】。2 0 0 5 年张天浩和杨大鹏等人利用这一效应，采用背景辐照对扩散和光伏机 制下l n 妯0 3 和空气界面处的p rs w 存在的可能性和形态进行了理论研究，得 到了扩散和光伏机制下非线性薛定谔方程的数值解及信号光的稳态解，给出了 信号光与背景光的偏振方向及强度比例对自散焦到自聚焦转变及p r s w 形成的 影响“”。实验方面尚未见报道，这正是本文作者在这篇论文中所作的主要工作。 第二节本文研究内容 光折变效应的本质特征是在光折变晶体内由于载流子的定向迁移导致的空 第一章绪论 间电荷场通过电光效应引起晶体折射率的变化。如前所述，在光折变效应中， 载流子的迁移机制主要有三种类型：扩散机制，外加电场作用下的漂移机制及 光生伏打机制。由前面对光折变表面波的研究进展我们可以看出，扩散机制下 的光折变表面波的理论已相当完善，并在b a t i 0 3 晶体界面观察到了光折变表面 波；扩散和漂移机制下的光折变表面波的理论还没有形成统一的体系，但实验 方面已有相关报道；丽扩散和光生伏打机制下的光折变表面波还仅限于理论方 面的尝试性研究，实验工作尚无人报道。 本文将在上述研究背景下，着重开展以下几个方面的工作： ( 1 ) 理论上，通过建立的阻尼振荡模型研究光伏和扩散机制下的光折变表 面波； ( 2 ) 从实验上观察光伏和扩散机制下的光折变表面波； ( 3 ) 研究光束倾斜入射时的单方向散射问题，并进一步探索表面波的形成 机制。 参考文献： 1 1 沈元壤非线性光学原理( 下册) 北京：科学出版社，1 9 8 7 】6 0 - 1 6 5 【2 r d a i s y ，锄db a n 曲f i s c h e r l i 曲t ，a v e sa lm ei m e r f k eo fl i n c a r 锄dp h o t o r e 缸c t i v e m e d i a ，j o p t s o c a m b ，1 9 9 4 ，l l ( 6 ) ：1 0 5 9 - 1 0 6 3 【3 】g s g a r c i aq u 试n 0 ，j j s 如c h e z - m d r a g o l l 觚ds s t e p a n o v ，n o n l i n c a rs u m c eo 曲c a l w a v e si np h a c o r e 缸6 v ec r y s t a l sw mad i 纳s i o nm e c l 瑚i s mo fn o n l i n c a 衄p h y s r e v a ， 1 9 9 5 ，5 1 ( 2 ) ：1 5 7 1 - 1 5 7 7 4 】g s g a r c i aq u i r i l l o ，j j s 锄c h e z - m o n d m 9 0 n ，s s t 印锄o v ，e ta 1 ，g u i d e dm o d e si na d i e l e c 岫cs l 曲w i md i 圩u s i o n 电p ep h o n ) 耐h c t i v en o n l i n e 耐劬j o p t s o c a m b ，1 9 9 6 ，1 3 ( 1 1 ) ：2 5 3 0 一2 5 3 5 5 】r a f 犯it b n s - c o r d o b a ，j j s 卸c h e zm 0 n d m 9 0 i i ，a n dv a v y s l o u k h ，p r 叩a g 丑t i o no f s p a t 试s u m i c ew a v e sa l o n gm ei m e r 6 l c eo fp h 咖r e 触甜v ec r y s t a l s ，j o p t s 0 c a m b ，2 0 0 l ， 1 8 ( 4 ) ：5 4 0 - 5 4 6 6 m a r kc r o n i n g 0 1 锄b ，p h 慨舳c t i v es 删f a c ew a v e s ，o p t ，l 甜1 9 9 5 ，2 0 ( 2 0 ) ：2 0 7 5 - 2 0 7 7 7 】培0 ri s m o l y 肌i 1 1 0 v ，柚dc 埘s t o p b e rc d a v i s ，n e a 卜删do p t i c a ls m d yo fp h 咖舳耐i v e s u r 缸ew a v e si nb a t i 0 3 ，o p t l e t 【1 9 9 9 ，2 4 ( 1 9 ) ：1 3 6 7 - 1 3 6 9 8 】v n b e l y i ，锄dn a k h i l 0 ，s u 慨el i 鲥啪v e so nt h eb 0 啪d a r yo fap h 咖r e 觚i v e c r y s 枷w 胁ad i 丘恼i o n _ d r i f tn o n l i l l e a r i 竹m e c h 柚i 锄，t e c h p h y s k t c ，1 9 9 7 ，2 3 ( 6 ) ：4 6 7 - 4 6 8 9 】a b z i m i n ，a n dn s p e 仃0 v ，o 州c a i b i s t a b 订酊 nr a d i a ：【i o n 硼e 叫o n 舶mt h eb o 岫d a r y o f ap l - a t o m 纳曲v ec r y s 嘲w nn 坨“f c - d i 伽s i o nn o n l i n e 耐t ym e c h a i l i s m o p t 柚ds p e c ，2 0 0 l ， 9 0 ( 6 ) ：8 9 6 _ 9 0 1 1 0 ln s p e 仰v ，s 删ee l e c 们m a 锄e t i c 啪v e sa tt h ei n t e 喻c eo f p h o t o r e 加c 百v ec r y s 嘲sw i 恤 a 嘶f 卜d i f f u s i o nn o n l m c 鲥t ym e c h 柚i 锄0 毗锄ds p e c ，2 0 0 2 ，9 3 ( 1 ) ：9 0 - 9 3 第一章绪论 【1 1 】v i c t o ra a l c s h k e v i 啦v i c t o ra v y s l o u k l 锄d i l lp h o l o 心的c t i v ec 删她l s s p i e ，1 9 9 8 ，3 4 咐：3 8 4 - 3 8 7 【1 2 】v a l c s i l k e v i c t i v v y s l o u k h ，蛐dy k 嘣i o v ，l o c a l i z e ds u r b k ew a v e sa t 血ei n t e 妇e b 咖e e n 吐l el i 甜d i c l e a 砸ca n dp h m o m 缸l c 曲em 酣i u m 、v i 出d r i f t 锄dd i f f 缸i o nn o n l i n e 撕札 o p t i c a l 柏dq 岫n t 哪e l e c 咖，2 0 0 l ，3 3 ：1 2 0 5 一1 2 2 1 【1 3 】v i c t o ra l e s h e v i 也y 螂l 神k 粕h o v ，柚da l e 精ye 9 0 m v s 诅b i n t ya n df o r n l a t i o no f l o c a l i z e ds u r f 缸ew a v e sa tt h ed i e l 啊c p h a t o r e 缸州v ec r y s 协lb 0 唧d a 阱p h y s r 删e ，2 0 0 1 ， “( 0 5 6 6 1 0 ) ：l - 1 1 【1 4 】e a l v 锄d o 州e n d n a o j e 血- a g i l i r r e ，锄do s 锄t o s - a g u i l a re ta 1 ，s e l f - b 锄d i n go f 印a t 锄s o l 的1 1 s i nan o n “盯i “c e r e g a v e m e db y 商f t 锄d d i 茄_ l s i o n m e c h 姐i 锄， s p i e ，2 0 0 l ，“1 9 ：5 3 0 5 33 【】5 】e a 】w l r a d 0 妇1 d e 薯j a a i r a d e l u c i o 锄dr r 0 j a s l a g 岫ae ta 1 ，q 吣i - s u 而c 黜 w a v e su n d e r “f t 锄dd i f f 缸i m e c h a n i s mi nn o i l l i 盯i 哦 而c e s ，r e v m 戤f i s ，2 0 0 4 。 s 0 ( 5 ) ：4 7 8 4 8 3 【1 6 】z h 柚gth ，l uyz ，k a n ghz ，e ta 1 ，e 冲e r i m e mo np rs e w o f s b nc r y s 协l ，a c t ap h s i c a s i n i c a ，2 0 0 5 ，5 4 ( 10 ) ：4 6 8 8 4 6 9 1 【1 7 】z h a r i gth ，k a n ghz ，皿dl uyz ，e ta l ，p h o t o m 触觚v es u m i c ee l e c 订o m a g e n e t i cw 打e s a t 廿l ei n 锄位eb c 艄e e ns b nc 叫s t a la n da i r ，i nt r 朋d si no p t i c s 锄dp h 咖i l i c ss e r i e s ， p h o t o 他如c n v ee 恼c t s ，m 删a l s ，a n dd 嘶c e ，g q 乃l 柚g 锄dd k i p ，e d s ，v 0 1 9 8o fo s a p r o c e e d 吨ss e r i e s ( o p 廿c a ls o c i e t yo f a m e r i c a w a s h i n g t o l l ，d c ，2 0 0 5 ) ：4 1 2 4 1 5 【1 8 】c a n a s 诅s s i o n ，ms l l i i l a n dm m i t c h e l l ，e ta 1 ，o p d c a l l y i n d u c e d p h o t o v o l t a i c s e i f d e f b c l l s i n 哥t 0 一1 f - 矗i l s i n g 缸孙s i t i o 士l ，o p t l e n 2 39 2 4 - 9 2 6 ( 1 9 9 8 ) 1 9 】z h 姐g t h ，y r 锄g d el u yz ，e ta l ，n 他o r 鲥c a j r e s e a r c ho f p r s e wa t t h e l i n b 0 3 一a i r i n t c 妇e ，i nt r e n d si i io 蛳c s 柚dp h 咖i l i c ss e r i e s ，p h o i o r e 胁撕v ee m 吣，m a t e r i a l s ，觚d 既州c e ，g q z h a n g 卸dd k i p ，e 凼，v 0 1 粥o f o s a 掣o c e e d i n 伊s 耐e s ( o p n c a ls o c i e l yo f a m 耐c a w 越h m g c o n ，d c ，2 0 0 5 ) ，p p 4 5 1 4 5 6 9 第二章扩散和光伏机制下光折变表面波理论 第二章扩散和光伏机制下光折变表面波理论 在某些光折变晶体中，例如l n 泊0 3 ，l i t a 0 3 ，b 拭0 3 等，均匀光辐照能 够产生开路电压或短路电流，这种效应称作光生伏打效应( p h o t o v o h a i ce 虢c t ) 。 实验证明，光生伏打效应只存在于铁电晶体中。 第一节光生伏打效应及其特征 当均匀光辐照铁电晶体时，晶体内部会产生开路电压或等值的短路电流。 铁电体中的光生伏打电流通常表示为：一 以= e ，或 ( f ，= x ，y ，z ) ( 2 1 ) 式中，的下标f 表示在f 方向的光生伏打电流，芦缸表示光生伏打张量元，e 、厮 是偏振方向分别在，、| 方向上的光电场。该式表明，入射光的偏振方向不同， 所产生的光生伏打电流也不同。 ( a ) 当入射光沿平行于晶体c 轴方向偏振时( e 光) ，光生伏打电流为 以= 氏j ( 2 2 ) 此时，光激发电子向自发极化仇的正端( 即+ c 轴方向) 漂移，光生伏打电流沿 一c 轴方向，其值正比于光强，所以有时称它为线性或纵向光生伏打电流。 ( b ) 当入射光沿垂直于晶体c 轴方向偏振时( d 光) ，c 轴方向的光生伏打 电流为 以= 屈，j ( 2 3 ) 由以上两式可以看出：入射光的偏振方向不同，在c 轴方向所产生的光生伏打电 流也不同。 第二节扩散和光伏机制下光折变表面波的理论计算及数值模拟 从第一章绪论中光折变表面波的研究进展一节中可以看出，基于扩散和光 伏机制的光折变表面波到目前为止还几乎没有人研究过，本节将依据提出的振 子模型对该机制下的表面波进行数值求解，并对它的相关特性进行研究。 设一束光波沿z 方向传播，并在x 方向有一定的能量分布，它的复振幅可写为 1 0 第二章扩散和光伏机制下光折变表面波理论 e ( x ，z ) = 爿 ) e x p ( 妒z ) ( 2 4 ) 其中口是光波沿z 方向的传播常数，z 方向垂直于光轴方向，x 方向平行于光轴方 向。考虑局域在一c 端面的光折变表面波，它的复振幅应该满足如下的光波方程 v e ( x ，z ) + _ i 。e ( x ，z ) = o ( 2 5 ) 其中础d m o + 订】，- 2 7 嗍，岛和七分别是光波在真空和p r c 中的波矢大小， 是光波在真空中的波长，是光折变效应前p r c 对某一波长和偏振态的入射 光束的折射率， 0 ) 是p r c 中由于光折变效应引起的折射率改变。在光折变效 应达到稳态后，以下方程近似成立 【十幽g ) r = 瑶一瑶1 0 ( x ) ( 2 6 ) 其中7 矿是有效电光系数，k 是由光折变效应导致的空间电荷场。 下面求解空间电荷场五0 。一般来讲，我们可以从标准的速率和连续性方 程中推出空间电荷场的表达式。为方便起见，我们考虑一维的情况。对于开路 的情形，速率和连续性方程可写为 j ( ，+ 厶) ( d 一刍) = ，。去 ( 2 7 ) j = q p n es c + k b t p 可n p e f f i = o ( 2 8 ) 其中j 是光激发截面，削2 是表面波沿x 方向的光强分布，厶是暗辐照，d 和d 十分别是总的施主数密度和被电离的施主数密度，扮是光电子与陷阱的复 合常数，是导带中的电子数密度，- ，是电流密度，g 和鼢别是载流子的带电 量和迁移率，b 是玻尔兹曼常数，r 是绝对温度，厦矿是有效光伏系数。 由方程( 2 7 ) ，我们可以得到 ：坐生丛丝二丝!( 2 9 ) y r n ； 于是方程( 2 8 ) 右边第二项可以变形为 卿：垄坐些州力掣 ( 2 1 0 ) 7 於b 积 分别用方程( 2 9 ) 和( 2 1 0 ) 代换方程( 2 8 ) 中的和z 0 吼我们 发现空间电荷场点0 俐可以写为 驰卜竿箫警+ 然惫仫 用方程( 2 1 1 ) 代替方程( 2 6 ) 中的空间电荷场俐，我们给出晶体中 第二章扩散和光伏机制下光折变表面波理论 光束传播的波矢| 的表达式 艮鼍笋惫掣一然篇+ 警磊q掣+ j d 西c 筏q ；“s d n a l d 筏 ( 2 1 2 ) 最后，分别用方程( 2 4 ) 和( 2 1 2 ) 代替方程( 2 5 ) 中的五伉力和矿，我 们得到光折变表面波的振幅所遵从的波方程 警+ y 袅警“惫俐= o 汜 西一 4 2 ( x ) + ，。爿2 ( 工) + l 、7 式寺y = 毫毒时k b t r 毋菇q b = 4 圣对怅n 0 r 礤毋心q 泌 口- n 南，c = 4 名，z 矗狞伊。方程( 2 1 3 ) 是一个典型的阻尼振荡方程，第一项描述了光折变 表面波的衍射散布，第二、三项分别描述了扩散机制和光伏效应的作用，分别 可视为阻尼力和由光伏效应产生的外力，最后一项是回复力。我们定义由后两 个力组成的有效回复力为 ，：6 0 时，有效回复力为正，而当4 ( 力 0 时，有效回复力为负。这 说明光折变表面波的振幅彳只有一个平衡位置4