（凝聚态物理专业论文）掺铁铌酸锂晶体中单光束传播时间行为的观察和研究.pdf

摘要 摘要 窄光束由于线性衍射而在空间展宽 传播在自聚焦介质中的亮光束和传播在 臼散焦介质中的暗光束会自写入能导向其自身的感应波导或类透镜 当该波导的 会聚作用严格平衡了光束的衍射发散时 窄光束便会以不变的尺寸和形状在非线 性介质中传播 这就是光束自陷 即分别称为亮和暗空问孤子 自2 0 0 0 年以来 我们首次实验观察到在自散焦的i j n b 0 3 f e 晶体中传播的 一束亮光束的稳态自陷或稳态部分自陷 显然 这对传统的空间光孤子的理论提 出了挑战 为了深入了解该现象的物理机制 在本论文工作中对其时间行为的特 征进行了详尽的 系统的实验观察 包括记录了在各种几何配置和实验条件下 不 同的光束传播方向 入射光偏振 离焦点距离 两束反向传播的彼此非相干激光 束 激光与白光入射等1 在不同辐照时间下的透射率 反射率 出射光斑形状 读出光强的空间分布 光束在介质内的传播轨迹 辐照区内相应的折射率变化等 并将它们一一对照 在分析大量实验事实的基础上 我们总结了该现象的基本特 征 即 i 在辐照区内的折射率变化始终为负 即 锄 0 2 垂直入射与倾斜入射时存在着类似的时间行为 3 e 光与 光入射时存在着类似的时间行为 4 不同波长的入射激光存在着类似的时间行为 完全非相干白光也存在着类似 的时间行为 但变化远不如激光明显 稳态时不能实现完全自陷 5 强入射光能更快地达到稳态完全自陷 弱入射光较慢地达到稳态 但只能部 分自陷 6 反向传播的两束互不相干的激光束会加强该自陷过程 7 晶体入射面位于透镜焦点前 后及焦点处均存在类似的时间行为 但前者的 速度快于后者 基丁 以上特征 我们提出了能初步解释该时间行为的理论模型 在这个模型 中 我们首次提出了在白散焦介质中 当辐照光强 远大于暗辐照厶时 通过光 摘要 折变饱和效应在由亮光束自写入的低折射率区域内 在稳态时可以形成自导向亮 光束的均匀光通道 在辐照初期在输出端附近形成扇形效应的噪音栅在辐照后期 对高频光起到了b r a g g 衍射光栅的作用 从而将高频光自衍射到光通道中 限制 了光束的衍射发散并不断加强了零频光与低频光 在光辐照区域中的低折射率但 曲率平缓区与光辐照边缘区的高折射率梯度区共同构成了一个相位型的空间滤 波器 这使低频光能顺利通过曲率平缓的 针孔区 而使高频光被高折射率梯 度区偏折 然后通过噪音栅的b r a g g 衍射返回到入射光束中 从而限制了光束的 衍射 使零频光与低频光不断增强 而对于白光 由于不存在噪音栅 高频光只 能被高折射率梯度区偏折 而不能返回到入射光中 因而不能实现完全自陷 本论文的创新点 1 首次观察到在瑚n b 0 3 f e 晶体中反向传播的两束互不相干激光会加快和加 强稳态亮光束的自陷过程 2 观察了稳态自陷行为与入射光强的关系 比较了白光与激光的时间行为 表明白光只能实现部分自陷 3 首次提出了在自敞焦介质中由亮光束自写入的低折射率区光通道中导向和 陷获亮光束的物理模型 在辐照初期形成扇形效应的噪音栅在辐照后期对 高频光起到了b r a g g 衍射光栅的作用 从而限制了光衍射和发散 并将高 频光转换为零频光与低频光 从而实现了稳态光束自陷 关键词 稳态光束自陷 空间孤子 时间行为 b m g g 衍射 空间频谱 a b s t r a c t t h i no p t i c a lb e a mb r o a d e n ss p a t i a l l yb e c a u s eo fl i n e a rd i f h c t i o n t h eb r i g h t b e a mp r o p a g a t i n gi n s e l f f o c i l s i n gm e d i u ma n dt h e d a r kb e a mp r o p a g a t i i l gi n s e l f d e f o c u s i n gm e d i u mc a i lw r i t ei nw a v e g u i d e so ri n d u c e dn o n l i n e a rl e n s w h i c h g u i d e i h eb e a m st h e m s e l v e s w h e nc o n v e r g i i l ge 如c to fn o n l i n e 撕t yb a l a n c e s e x a c t l yd i f i j a c t i o no ft h eb e a m t 1 1 et h i nb e a mw j l lp r o p a g a t ei nn o n l i n e a rm e d i u m w i l hu n v a r y i n gt r a n s v e r s ep r o f n ea i l ds h 印e w h i c hi sc a n e da ss e l f t m p p i n go fo p t i c a i b e a m i e b i g h t0 rd a r ks p a t i a ls 0 1 i t o n 1 1 12 0 0 0 w ef i r s to b s e e dc o m p l e t e l yo rp a n i a l l ys t e a d y s t a t es e l f t r a p p i n go fa j l o p t i c a lb e a mp r o p a g a t i n gi 1 1i j n b 0 3 f ec r y s t a l w h i c hi ss e l f d e f o c u s i n gn o n l i n e a r m e d i u 瑚 ni so b v j o u st h a t t h ee x p 鲥m e n t a lp h e n o m c n ac h a l l e n g e 耋1 1 et r a d i t i o n a l t b e o r yo f 叩t j c a ls p a t i a l s o l i t o n s t oe x p l o r et h c p h y s i c a lm e c h a n i s mo f t h e p h e n o m e n a w ei n v e s t i g a t ea i l do b s e r v ee x p e r i m e n t a l l yi nd e t a i la n ds y s t e m a t i c a l l y t h ec h a r a c t e r so ft h et e m p o r a lb e h a v i o ro fo p t i c a lb e a mp m p a g a t i n gi nl i n b 0 3 f e c r y s t a l w er e c o r d e d d i f f e r e n t i r r a d i a t i o n t i m e t r a n s m i s s j v i t y a i l d r c f l e c t i v i t y 1 i 曲t i n t e n s i t yp r o f i l ea te x i ts u r f 她eo f1 1 1 ec r y s t a l t h es p a t i a ld i s t r i b u t i o no fr e a d o u t l i 曲ti n t e n s i t ya te x i ts u r f a c eo ft h ec r y s t a l t h eb e a mt r a j e c t o r ya n dt h ec o r r e s p o n d i n g r e f a c t i v ei n d e xc h a n g ei ni 册d i a t i o nz o n ei nt h ec r y s t a l u n d e rd i f f e r e n tg e o m e t r i c a l d i s p o s i t i o n sa n de x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s i n c l u d i n gd i f e 钉e n tp r o p a g a t i o nd i r e c t i o n s a n dd i 自f e r e n tp o i a r i z a 垃o no fj n c i d e n t i g h c d 虹i 毫r e n d i s t a n c ef 如mt h ei n p u ts u r f 矗c eo f t l l e c r y s t a l t 0t h el e n s sf o c u s a n dt h et w o m u t u a l l yi n c o h e r e n tl a s e rb e a m s c o u n t e r p m p a g a t i n gi n t h ec r y s t a l t h el a s e rb e a mi n c i d e n c ea i l dt h ew h i t el i g h t i n c i d e n t a n ds oo n 0 nt h eb a s i s0 fa n a l y s e sf o ra 铲e a tm o u n to fe x p e r i m e n t a l p h e n o i e n a w eg e ti h ee s s e n t i a lc h a r a c t e r sa sf o l i o w 1 t h es i 弘o fr e f r a c t i v ei n d e xc h a l l g ei ni r r a d i a t i o nz o n ei sn e g a t i v e i e 血 0 2 t h et e m p o f a lb e h a v i o r sa r es i m i l a ru n d e rt h ec o n d i t i o n so f b o t ho b l i q u ei n d d e n c e a n dn o m a li n c i d e n c e 1 i a b s i r a c i 3 t h et e m p o r a lb e h a v j o r so ft h ee p o i a r i z e da n do p 0 1 a r i z e dl a s e rb e a m sa r es i m i l a r 4 1 1 1 et e m p o r a lb e h a v i o r so fd i r e n t w a v e l e n 出h1 a s e rb e a m sa r es i m i l a lt h e t e m p o r a lb e h a v i o ro f t o t a l i yi n c o h e r e n tw h i t el i g h ti ss i m i l a ot h a to fl a s e rb e a m b u t t h ec h a n g e so ft r a l l s m i s s i t ya n d1 i g i l t i n t e n s i t yp r o f i l ea te x s u r f a c eo ft h e c r y s t a la r en o to b v i o u sa s 协a to fl a s e rb e a mb yf a l t h ew h i t ei i 曲tc a n n o lb e c o m p l e t e l ys e l f t r 叩p e di ns t e a d ys t a t e 5 w h e nt h el 蟾h ti n t e n s i t yi ss t r 0 g e r t h e l i g l l tb e a mr e a c h e st h ec o m p l e t e l y s t e a d y s t a t es e l t r 印p i n g m o r e q u i c k iy w h e r e a st h e w e a k i m e n s i t yl i 曲t r e a c h e st h es t e a d ys t a t em o r es 1 0 w l y w h i c hi so n l yp a n i a i l ys e 捧t r a p p e d 6 t h e s e l f t r a p p i n gp r o c e s s o fl a s e rb e 锄c a nb e q u i c k e n e d w h e ni t c o u n i e r p r o p a g a t e sw i t ha 1 1 0 m e rm u t u a li n c o h e r c n tl a s e r b e 锄 7 t h et e m p o r a ib e h a v j o r so fi i g h tb e a ma r es i m i i a r om a t t e rw h e r et h ee x t r a l l c e f a c eo ft h ec r y s t a l i sl o c a t e 1 一i n 丘o n to ft h ef b c u s b e h i n do ft h ef o c u so re x a c t l y i nt h ef b 皿s o ft h e e n s t h ef r o n to n e c h a n g e sq u i c k e rt h a nt h eb e h i n do n e b a s e do nt h ec h a r a c t e r s w ep r o p o s ef o rt h ef i r s tt i m eat h e o r e t i c a lm o d e lt o e x p l a i e l e m e n t a l l yt h et e m p o r a lb e h a v i o r s i nw h i c hal i 曲tb e a mc a l l i n d u c e a u n i f o m lo p t i c 8 lc h a n n e li ns e l f d e f o c u s i n gm e d i u mb yp h o t o r e f r a c t i v e s a t u r a t i o n e 骶c t og l l i d et h el i 曲tb e 锄i t s e l fi ns t e a d ys t a t e w h e nt h ei n t c n s i t y o fi n c i d e n t l i g h ti ss t r o n g e rt h a nd a r ki r r a d i a t i o n 厶b yf a r t h ec h a n n e ll i e si nt h ez o n ef o r m e d b yt h ei n c i d e n tl i g h tb e a mi t s e l fi nw h i c ht 1 1 er e f m c t i v ei n d e xi sl o w e rt h a ni h eo t h e r z o n eo ft h ec r y s t a l t h en o i s e 铲a t i i l 舀w h i c hf o 珊sf a n n i n ge 矸e c tc 1 0 s et ot h ee x i t s u r f a c eo ft h e c r y s t a l a tt h ei n i t i a i s t a g eo fi a d i a t i o n c a np i a y ar o l ea s b r a g g d i f f r a c t i o ng r a t i n gt os e l f d i 册a c tt h eh i g h f r e q u e n c yl i 曲tc o m p o n e n t si n t ot h e c h a 衄e la t t h el a s ts t a g e s i tl i m i t st h ed i v e 昭c n c ea i l dd i f f r a c t i o no ft h ei n c i d e n tl i 曲t w a v e i n t e n s i f i e st h ez e r o f r e q u e n c ya n dl o w f r e q u e n c y1 i 曲tc o m p o n e n t s i i lt 1 1 e i r r a d m i o nz o n e t h ec c n 缸a 1p a r ti nw h i c ht h er e f r a c t i v e 如d e xi sl o wb u tm ec u a t u r e o f ni sn a t a 1 0 n gw j c ht h ee d g cp a r ti nw h j c ht h ec u r v a t u r eo f ni ss c e 印 f b 衄sa p h a s e t y p es p a t i a lf t e r t i l el o w f r e q u e n c yl i 曲tc a nt r a n s m i ts u c c e s s f u l l yt h r o u 曲 p i n h o l e o ft h ef i l i e r i nw h i c ht h ec u r v a t u r eo f ni s f l a t w h e r e a st h e a b s l m c i h i 曲一f r e q u e n c yl i 曲ti sd e f l e c t e do u to ft h e 曲a 皿e lb y 山ee d g ep a r to f t h ef i l t e rt h a t t h ei n d e x 掣a d i e n ti sh 蟾h t h e nc o m eb a c kt ot h ec h a 肌e lb yt h eb r a g g d i f 衲c t i o o f t h en o i s e 孕a t i n g t h u s t h ed i f r a c t i o n0 ft h el a s e rb e a mi sl i m i t e da i l dt h ez e r 0 1a n d l o w f b q u e n c y1 i g h t sc o m p o n e n t sa r ei t e n s i f i e d c o n t i u o u s ly h o w e v e r t h en o i s e 口a t i i l gc a 衄o t b ef o r i i l e di nt h ec r y s t a lb yw h i t el i g h t 1 1 1 eh i 曲一f r e q u e n c yl i 曲ti s d e f l e c l e do u to ft h el o w r e f r a c t i v e i n d e xz o n eb yt h ee d g ep a r to ft h ef i l t e rt h a tt h e i n d e xg r a d i e n ti sl l i 曲 a dc a n n o tc o m eb a c kt ot h ei n c i d e n tl i 曲t s ot h ew l l i t el i 曲t c a n n o t b ec o m p l c t e l ys e l f t r 印p e d t h en o v e l t i e so ft h i sp a p e ra r ea st h ef o l l o w i n g 1 0 b s e r v ef o rt h ef i r s tt i m et h a tt h es t e a d y s t a t es e l f t r 叩p e dp m c e s so fal a s e rb e a m c a l lb eq u i c k e n e da n de n h a n c e dw h e ni tc o u n t e r p f o p a g a t e sw i t ha n o t h e rm u t u a l l y i c o h e r e n tl a s e rb e a l l l 2 i n v e s t i g a t et h er e l a t i o nb e t w e e nt i l es t e a d y s l a t es e l f t r a p p i n ga n dt h ei n t e n s i t yo f i d d e n l l i 曲t a 1 1 dc o m p a r et h et e m p o r a lb c h a v i o ro fl a s e r b e a m w i t i lt l l a to fw h i t e l j g h t i ti sp r o v e dt h a tt h ew h i t ei i g h cc a nb eo n l yp a n i a l l ys e l f t r a p p e d 3 b r i n gu pan e wp h y s i c a lm o d e if b r t h ef i r s tt i i l l et oe x p l a i nt h eg u i d i n ga n d s e l f t r a p p i n g o fb r i g h tl i g h ti nt h el o w r e 丘a c t i v e i n d e xo p t i c a lc h a n n a lt h a ti s f o 肌e db yt h ei i g h tb e a mi t s e l fi ns e l f d e f o c u s i n gm e d i u m t h en o i s e 舒a t i n 舀 m i c hf o r i n sf a n n i n ge f f e c ti ni n i t i a ls t a g e s c a np l a yar o l ea sb r a g g d i f f r a c t i o n 静a t i n gt os e l f d i 旰a c tt h eh i g h 一丘e q u e n c yl i g h ti n t ot h ec h a n n e li n l a s ts t a g e s 1 t l i m i t s t h ed i 丘a c t i o na n dt h ed i v e 唱e n c yo ft h el i g h tb e a m a n dc o n v e r t st h e h i 曲 骶q u e n c yl i 曲tc o m p o n e n t si n t oz e m a n di o w 眈q u e n c yi i 曲tc o m p o n e n t s s ot h el i g h tc a nb ec o m p i e t e l ys e l f t r a p p e di s t e a d ys t a t e k e yw o r d s s t e a d y s t a t es e l f t r a p p i i l g o fl i 曲tb e 锄 o p t i c a ls p a a ls 0 1 i t o n s t e m p o r a lb e h a v i o r ib r a g gd i f i l a c t i o n s p a t i a lf r e q u e n c ys p e c t r u m v 第1 章持论 第1 章绪论 f 自从光折变效应0 h o t o r e 觚c t i v ee 氐c t 被发现以来 在近4 0 年中 光折变非 线性光学以意想不到的速度已发展成为当今非线性光学中的一个重要分支 现 在 光折变效应已成为实时光学信息处理的基本手段 并且在三维光折变存储器 自泵浦与互泵浦相位共轭器 全光学图像处理 光通信及集成光学领域得到了广 泛的应用 本章概述了光斩变效应的物理机制 理论模型及特征 指出l 饿b 3 晶体 中光折变效应的主要机制为光生伏打效应 分析了光生伏打效应产生的原因及表 达形式 给出了与 n b 0 3 f c 晶体有关的光折变参量表达 介绍了光折变空间孤 子的基本概念 光折变空间孤子的类型和相关理论 1 1 光折变效应及其特点1 1 1 光折变效应为光致折射率变化效应q h o t o j n d u c e dr e 丘a c t i v e i j d e x c h a l l g e e 骶c c l 的简称 它是在光辐照下由光强的空间分布在电光材料内引起折射率相应 变化的一种非线性光学现象 光折变效应首先是由贝尔实验室的a s h k i n 等人1 1 2 j 于1 9 6 6 年发现的 当时 把这种不期望的效应称为 光损伤 o p c i c a ld 锄a g e 这种 光损伤 在光辐照 停止后仍能保留相当长的时间 1 9 6 8 年 c h e n 等人 1 3 j 首先认识到利用这种 光 损伤 可以进行光信息存储 并深入研究了这种效应的物理机制 提出了光激发 载流子的漂移模型 从此引起了人们对它的普遍关注和极大兴趣 由于这种 光 损伤 可以通过均匀辐照和加热的方法被完全擦洗掉 因而它是一种可逆的损伤 后来人们将它改称为 光折变效应 以区别于永久性的光损伤 此后人们又 相继在铁电氧化物 立方硅铋族氧化物 半导体材料 电光陶瓷以及有机聚合物 等材料中发现了光折变效应 目前光折变效应己被认为是电光材料f q 通设 1 1 1 光折变效应的物理机制 光折变效应是发生在电光材料中的一种电光现象 以图1 1 的单能级模型为 第1 章绪论 例 光折变过程及物理机制可以概括如下 丝么缓凌羽丝缓么丝丝丝丝丝 裂 黑 li 一 上 上 一 一 r s c g e p i o 哺 勿彩芴勿形沥笏荔彩历嬲删 图1 1 单能级模型 1 4 1 电光晶体内的杂质 缺陷和空位作为电荷的施主或受主 在不均匀光辐照 下 施主杂质被电离产生光激发载流子 2 光激发载流子 在导带中的电子或价带中的空穴 通过浓度扩散或在外加 电场或光生伏打效应作用下的漂移而运动 3 在辐照区的迁移电荷可以被陷阱重新俘获 它们经过激发 迁移 俘获 再激发 直至到达暗区被处于深能级的受主重新俘获 形成了正 负电荷的空间 分离 这种空间电荷的分离与光强的空间分布相对应 4 这些光致分离的空间电荷在晶体内建立了相应的空间电荷场 5 空间电荷场又通过电光效应在晶体内形成了与光强的空间分布相对应的 折射率变化 如果晶体不存在反演对称性 对称中心 则空间电荷场通过线性 电光效应 泡克耳斯效应 引起折射率的变化 如果晶体存在对称中心 则空间 电荷场会通过平方电光效应 克尔效应 引起折射率的变化 在光折变过程中自由载流予迁移主要有以下三种机制 1 漂移机制 由c h e n 等人 1 3 在1 9 6 8 年提出 在外加电场或晶体中的内电场作用下载流子发生迁移 电场包括外加电场 乜和空间电荷场民 漂移电流为 d q 脚匹 1 1 1 其中 肛为自由载流子的迁移率 外加电场f e 川 y l y 为外加电压 为 电极之间的长度 第 章绪论 2 扩散机制 a m o d e i 等人 1 5 1 在1 9 7 2 年提出 光强梯度分布会引起光生载 流子的扩散迁移 在非均匀光强辐照下 亮区自由载流子浓度最高 暗区自由载 流子浓度最低 在浓度梯度轨作用下形成了扩散电流 其电流密度为 d 兰一 到9 v 厅 七8 r v 距 1 1 2 其中 玎为载流子电荷 其符号空穴为正号 电子为负号 d 为扩散系数 v 九为 载流子浓度梯度 p 为迁移率 七 为波尔兹曼常数 z 为绝对温度 a m o d e i 等人同时指出 在低电导材料中 在干涉条纹n j j 距较小的情况下 载流子的扩散是最主要的迁移机制 他们从理论上给出了光生载流子因浓度梯度 扩散和在电场作用下的漂移这两种机制下的迁移电流密度以及折射率变化的相 位栅分布 并指出 如果相位栅的记录是通过自由载流子的漂移机制 则两写入 光束之间没有能量转移 至少在写入光栅的稳态阶段是这样 但是对于扩散机制 两束写入光束之间会出现稳态的能量转移 能量转移的方向由自出载流子的符号 决定 3 光生伏打机制 g l a s s 等人于1 9 7 4 年提出了一种新的自由载流子迁移机制 光生伏打效应 1 6 它不同于通常的光生伏打效应 而是铁电体材料在光辐 照下产生的一种反平行于自发极化方向的光生伏打电流 与它相应的光生伏打电 场正是c h e n 等人当初在文献 1 3 中提出的 内电场 它对于l i n b 0 3 和u t a 0 3 晶体中的自由载流子迁移做出了主要贡献 不同偏振的光会在不同方向引起光生 伏打电流 入射光偏振方向沿着晶体的c 轴方向时 e 光 会产生反平行于自发 极化方向的光生伏打电流 光生伏打电流的数值与吸收系数a 和辐照光强 的关 系一般表示为 p r 盯口 1 1 3 其中r 为g 1 a s s 常数 1 1 2 带输运模型1 7 1 描述光折变效应动力学过程的理论模型主要是带输运模型 1 7 1 和电荷跳跃模 型m j 目前被人们普遍接受的定量描述光折变效应的理论模弛是带输运模型 b a n dt r a n s p o r tm o d e l 带输运模型由k u k h l a r t v 等人 1 7 于1 9 7 9 年提山 其理 3 第l 章绪论 论可表述如下 假定光折变介质含有一定类型的杂质和缺陷 并且所有的施主杂质占据同一 个深能级 单能级模型 见图1 1 这些施主杂质因吸收光而电离 光电子被 激发至导带 可通过扩散或漂移在导带中运动 被电离的施主成为未被电子占据 的空态 它们可作为俘获光电子的陷阱 当光电子迁移至暗区时 被该处的陷阱 复合 形成空间电荷的分离 分离的空间电荷在晶体内建立了空间电荷场 空间 电荷场通过电光效应在晶体内引起与入射光强的空间分布相对应的折射率变化 带输运模型的理论公式由速率方程 连续性方程 电流方程和泊松方程组成 令施主数密度为 d 被电离的施主数密度为 二 这样被电离的旌主数密度 的产生率为 g r 日 卢 0 一 1 卜4 s 是光激发截面 是入射光强 芦是热激发速率 光电子与陷阱的复合率为 r r 知 r 1 1 5 y 是光电子与陷阱的复合常数 n 为导带中的电子数密度 显然 被电离的 施主数密度 砝的速率方程为 警 倒峒 d 哪h 以州 1 1 1 6 导带中自出电子的产生率应等于被电离的篪主数密度的产生率与导带中光电子 运动形成的电流所相应的迁移电子数之和 塑 噬 三v j 1 1 7 甜甜 叮 这里i 是电流密度 g 是电子电荷 式 1 卜7 称为光电子的连续性方程 电流密度 厂方程可写为 q 肛n e 露日r v 挖 j 赫 1 1 8 上式中第一项是在电场作用下的漂移电流密度 这里层包括外加电场 和空间 电荷场e 第二项是南于载流子密度梯度而引起的扩散电流 第三项为光生伏 4 第1 章绪c 仑 打电流 式中肛是迁移率 七户是波尔兹曼常数及温度的乘积 在导带中这些光 电子在迁移过程中不断被俘获 激发 再俘获 再激发 直到迁移到暗区被陷阱 俘获 从而形成了空间电荷的分离 分离的空间电荷又在晶体中建立起满足高斯 定理的空间电荷场 v 曰 g 砝一 月一雅 1 1 9 其中 是介质的介电常数 为受主数密度 是由介质性质决定的恒定量 式 1 卜9 称为泊松方程 利用带输运模型并代入相应的边界条件 e 伍一m z 厶 0 一m z o 一 z 竹 外加电场沿x 方向 入射光沿z 方向传播 可以推导出在单 光束辐照下 一维稳态情况下的空间电荷场与光强的关系 耻毛等等扣m m 篇 h 公式 1 卜1 0 中右边第一项表示在外加电场作用下漂移机制对空间电荷场的贡 献 第二项为扩散机制的贡献 第三项为光生伏打效应的贡献 在开路状态下当 l o 时 仅由光生伏打效应引起的空间电荷场为乓2 一每 f 葛 而由 1 1 3 3 x l o l 0v i n 1 作用下才会显示出明显的非线 性光学效应 而在光折变效应中 在光场作用下光生载流子被激发 它们迁移并 图1 2 a n b 0 3 晶体光折变 月 与辐照时间i 的关系图f j j b l i n b 0 3 晶体光折变饱和值缸 与辐照光强r 的关系图 j 第1 章绪论 复合形成分离的空间电荷 从而产生空间电荷场 后者又通过电光效应引起折射 率的变化 因此光折变效应起因于光强的空间调制 而不是绝对光强 因为空间 电荷的分离和空间电荷场的建立需要一个累积的过程 所以光强的大小主要影响 到自由载流子被光激发的速度和空间电荷场的建立时间 显然 低功率光致折射率改变为非 线性光学研究开创了更加广阔的研究领域 它允许在低功率入射光的辐照下 用方便的时间 尺度来观察各种非线性光学效应 2 空间非局域性 当光生载流子的迁移机制是扩散占优势时 折射率改变的 最大值处与光辐照最强处并不对应 即 相位栅在光栅波矢方向相对于光强的干 涉条纹有一定的空间相位移 f 一0 这种光栅又称为相移型光栅 它允许两束 相互作用光束之间发生稳态的能量转移 由波耦合理论可以知道 增益系数g 正比于s i n f 因此当相位移f 玎 2 时 光束之间发生最大的能量转移 3 非瞬时响应 而且有相当长的暗存储时间 光折变响应时间f 与光电导盯 密切相关f 1 9 r 盟 1 1 1 3 o 0 d 其中s 斫为有效介电常数 对于单轴晶体 s s 气 为真空介 电常数 g 8 8 5 1 0 1 2 库仑2 牛顿 米2 d 坤 口 为光电导 吼为暗电导 5 为光激发截面 为辐照光强 大部分铁电晶体的暗电导都较低 s 吼 所以 r 口哳 c 嘞 盯 因此光折变响应时间f 近似反比于入射光强 j 越强 响应时问r 越短 而暗存储时间 吼反比于暗电导吼 因为吼一般很小 暗存储时间一般很长 铁电晶体从十几个小时 k t n 到几个月甚至几年 l i n b 0 3 4 光折变是可逆过程 在加热或均匀光辐照下光折变晶体可以擦洗掉幽 因为在光折变过程中积累在辐照区边缘的空间电荷在刁i 存在光辐照时会以暗弛 豫时间 弛豫 最终正 负电荷被中和 即空间电荷场消失 所以折射率变化 h 7 第1 章绪论 虽能在暗处长期保存但不能永久保存 提高介质温度可以增大暗电导吼 均匀 光辐照下是用光电导盯 代替暗电导 这两种方法均可缩短空间电荷的暗弛豫时 间 将 l 擦洗掉 小光斑中的折射率改变能被大尺寸的光斑有效地擦除 5 短波长比长波长的光折变灵敏度高 这是因为波长越短 处于更深能级的 光生载流子也能被激发 如果光波长的能量略小于禁带宽度 例如紫外光 价 带的电子就可以通过带际跃迁到达导带 电子和空穴都将参与光折变过程 它可 以引起更强的光折变效应 而且它具有许多不同于通常由杂质能级激发光生载流 子的光折变效应的新特点 但是如果入射光波长位于吸收边以内 晶体内的光被 全部吸收 便不能引起光折变效应 1 2 l i n b 0 3 f e 晶体中的光折变效应 1 1 1 如前所述 光束辐照在光折变晶体上时载流予的迁移主要有漂移 扩散和光 生伏打三种机制 对于n n b 0 3 f e 晶体而言 光生伏打机制占优势 激光辐照 l i n b 0 3 f e 晶体时 在光生伏打机制作用下可在晶体内产生高达1 07 v 佃的空间 电荷场 通过线性电光效应 使晶体辐照区折射率发生变化血达1 0 一1 0 5 数 量级 这种折射率的变化可表达为血 n 3 哳瓦 2 其中肛为晶体的折射率r 惭为晶体的有效电光系数 由于e s c 沿c 轴方向 所以血c o 瑚如0 3 f e 晶体 属于非线性自散焦介质 1 2 1 光生伏打效应 1 舯 1 1 q 在 n b 0 3 t a 0 3 b a t i 0 3 等铁电晶体中 均匀光辐照能够产生开路电压或 等值的短路电流 这种效应称作光生伏打效应 p h o t o v o i t a i ce f f e d o r p h o t o 鼬l v a n i ce f f e c i 如前所述 它不同于通常的光生伏打效应 它表现为铁电 体材料在光辐照下产生的依赖于入射光偏振方向的光生伏打电流及相应的光生 伏打电场 晶体的 内电场 实验证明 光生伏打效应只存在于铁电晶体中 第1 章绪论 1 光生伏打电流 铁电体中的光生伏打电流通常表示为 f e i 工 y z 1 2 1 式中 的下标明曼示在i 方向的光生伏打电流 表示光生伏打张量元 e 乓 是入射光的偏振方向分别在j 七方向上的光电场 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 按照以下规则可以将卢 的后两个下标 缩写为一个下标f 即岛 z 与 的对应关系为 j 七 1 1 2 23 32 33 11 2 3 21 3 2 1 z 12 3456 这样 光生伏打电流可以写成以下矩阵形式 e 茸 岛e e 也e 马眨 e 乒 e 善 e 矗t e 1 2 2 对于点群为c 3 c 0 c 6 的晶体 光生伏打张量的某些张量元为复数 它包 括两部分 对称张量元 实部 和反对称张量元 虚部 1 16 1 在实部中 屈 的 后两个下标交换是对称的 即鲰一如 在虚部中 如的后两个下标交换是反 对称的 即卢 一卢 这样式 1 2 1 式可唯象地表述为 i 颤 f 懿 e e 1 2 3 其中鲸和鲸分别为光生伏打张量元舷的对称成分和反对称成分 1 2 2 式右 边第2 个矩阵中的 号的意义是 号对应于屈 的对称成分 一 号对 应于成 的反对称成分 显然 对角元 j t 时 e e l e 圹 张量元屈 依赖于 晶体的性质和对称性 光生伏打张量的结构类似于同一品体的电光张量的结构 9 氏氏氏艮艮氏艮如艮氏如氏先 氏 旧 i 阪限儿 第1 章绪论 这就是说 电光张量的任何非零张量元总是对应于该晶体的光生伏打张量的非零 张量元 下标相同但顺序不同 例如肛 对应于 根据电光张量与光生伏打张量之间结构的类似性 容易得到i j n b 0 3 晶体的 光生伏打张量的结构形式 n b 0 3 晶体具有c 3 锄 点群对称性 岛只有四个 独立的非零张量元 即岛 尼1 1 岛 岛3 3 段 卢 既一线 一既 它们 是光生伏打张量的实部 而光生伏打张量的虚部只有一个独立的张量元纯 所 以反 纯 f 熙 由 1 2 3 式 得到 n b 0 3 晶体光生伏打电流的矩阵表达式为 置 如e 易g 岛巧 如 e g 毛霹 e e e 墨 由 1 3 4 式 l i n b 0 3 晶体的光生伏打电流的各分量为 1 2 4 一卢 暇e 毛巧 玩 乓 如目 i 聪 日e 一岛日 声 慨1 2 p i e 1 2 芦占 e 乓 岛e f 璐 如巨一马e 1 2 5 展 旧1 2 岛 l e 1 2 岛 悖j 2 由 1 2 4 式和 1 2 5 式可以看到 1 当入射光偏振方向只沿晶体c 轴方向 e 光 时 即巨 e 0 如 0 a 光生伏打电流为 u 岛 恢f 2 尾 1 2 6 c h e n 的实验结果表明 在此情况下 光激发电子向自发极化p s 的正端 即 c 端 方向 漂移 因此 此光生伏打电流沿一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 2 当入射光偏振方向为垂直于晶体c 轴方向 o 光 时 即e 或毛 0 邑 o 则光生伏打电流分别为 1 恐 卢o o 一 岛o 0o 艮o o o 风 d 10 压岛 抬 0 侈区 l i 1 li u u u 第1 章绪论 当e l 0 e 2 毛 o 时 当点j 0 巨 岛 o 时 0 一卢 i 1 2 一一岛 1 2 7 热 毛 2 磊 j f 篁o i 2 z z z 1 22 艮 1 2 8 l 厶 氏吲2 一岛 j 由以上两式可以看到 当入射光为 光时 光生伏打电流不仅存在纵向成分 还 同时存在横向成分 当入射光倾斜入射时 其偏振会同时存在两个成分 如e 光 入射会有毛和巨或局和e o 光入射会有e 和岛 其光生伏打电流表达式可由 1 2 4 和 1 2 5 直接推得 3 对于证交偏振两束光 一束为 光 一束为e 光 的入射光 1 2 3 式中 的第2 项 见 1 2 5 式 不为零 通常把与彤相关的光生伏打电流称为圆光 生伏打电流 如果两柬正交偏振 一束为 光 另一束为e 光 光同时入射在 n b 0 3 晶体的 y 面上时可以激发空间振荡的圆光生伏打电流 这种电流的方向 总是垂直于c 轴的 它又形成空间调制的空间电荷场 后者通过线性电光效应在 晶体内形成空间调制的相位栅 综上所述 对于c 3 3 m 点群的光折变晶体 可以得出以下三点结论 a e 光垂直入射时 只存在沿光轴方向的纵向光生伏打电流 b o 光垂直入射时 同时存在着纵向与横向光生伏打电流j 3 和l c 只有 光与e 光同时入射时 才存在空间调制的圆光生伏打电流 作为一阶近似 电光系数与晶体的掺杂浓度无关 而光生伏打张量元则不同 它不仅依赖于入射光的偏振和波长 而且强烈地