光折变效应ppt课件

1、1光折变非线性光学及其应用光折变非线性光学及其应用编著：刘思敏编著：刘思敏 郭郭 儒儒 许京军许京军成绩：平时成绩成绩：平时成绩 + 期末期末参考书：参考书：多功能光电材料：铌酸锂晶体多功能光电材料：铌酸锂晶体孔勇发孔勇发 许京军许京军 张光寅张光寅 刘思敏刘思敏 陆猗陆猗2Basic conceptsnMaxwell equations00kEHkHE 0, 0kEHRight-hand materialskEHLeft-hand materials0, 0EDro HBro jE3cnv2n/kncn4本课程主要内容本课程主要内容基本理论：基本理论： 第第1章章 光折变效应光折变效应 第第

2、2章章 波耦合与体相位栅波耦合与体相位栅 现象：现象： 第第3章章 光感应光散射光感应光散射 第第8章章 光折变材料及其参量测量光折变材料及其参量测量 第第9章章 紫外光折变非线性光学效应紫外光折变非线性光学效应 应用：应用： 第第4章章 光折变三维存储器光折变三维存储器 第第5章章 自泵浦与互泵浦相位共轭器自泵浦与互泵浦相位共轭器 第第6章章 光折变空间孤子光折变空间孤子 第第7章章 饱和非线性介质中的变折射率光学工程饱和非线性介质中的变折射率光学工程5 (1)线性（一阶）极化率，线性（一阶）极化率， (2)二阶极化率二阶极化率1. 强光非线性光学（强光非线性光学（P14）介质中带电粒子在强

3、光的电场作用下发生的瞬态非简谐振动，从而引起介质中带电粒子在强光的电场作用下发生的瞬态非简谐振动，从而引起介质的极化强度介质的极化强度 P 随光场随光场 E 发生非线性变化。发生非线性变化。00(1)(2)(3)000.PDEEEEEEEE 要求：入射光场要求：入射光场 原子内的束缚内电场原子内的束缚内电场二次谐波产生、和频、差频、双光子吸收、受激拉曼散射、受激布里渊散射、自感二次谐波产生、和频、差频、双光子吸收、受激拉曼散射、受激布里渊散射、自感应透明、光学双稳态、光的压缩态等应透明、光学双稳态、光的压缩态等62.光折变非线性光学光折变非线性光学 电光材料在光辐照下激发了光生载流子，它们在相

4、应的能带中或因浓度梯度而扩电光材料在光辐照下激发了光生载流子，它们在相应的能带中或因浓度梯度而扩散，或在外加电场或光生伏打场作用下而漂移，从而由辐照亮区迁移至辐照暗区，散，或在外加电场或光生伏打场作用下而漂移，从而由辐照亮区迁移至辐照暗区，致使空间电荷分离，形成了与入射光强的空间分布相对应的空间电荷场致使空间电荷分离，形成了与入射光强的空间分布相对应的空间电荷场Esc，Esc又通又通过电光效应在介质中形成了与入射光强的空间分布相对应的折射率变化的空间分布过电光效应在介质中形成了与入射光强的空间分布相对应的折射率变化的空间分布，这就是光折变效应的全过程。，这就是光折变效应的全过程。 与强光非线性

5、光学相比较，光折变效应最明显的特征是它起因于入射光强的空间与强光非线性光学相比较，光折变效应最明显的特征是它起因于入射光强的空间调制，而不是绝对的入射光强。调制，而不是绝对的入射光强。因此有时人们又称之为弱光非线性光学。因此有时人们又称之为弱光非线性光学。 光折变效应：电光材料在光辐照下，由光强的空间分布引起折射率相应变化的光折变效应：电光材料在光辐照下，由光强的空间分布引起折射率相应变化的非线性光学现象。非线性光学现象。7定义定义:光折变效应（光折变效应（photorefractive effect）是光致折射率改变是光致折射率改变 （light-induced refractive ind

6、ex changeeffect）的简称。的简称。研究历史研究历史:1965 贝尔实验室贝尔实验室Ashkin等倍频时发现等倍频时发现LN中中“光损伤光损伤”现象现象1968 Chen等人利用该现象进行光信息存储等人利用该现象进行光信息存储1969 Chen等人提出漂移机制等人提出漂移机制1972 Amodei等人提出扩散迁移机制等人提出扩散迁移机制1974 Glass等人提出光生伏打效应机制等人提出光生伏打效应机制1.1 概述概述8研究历史研究历史:1980 南开大学与西南技术物理所合作南开大学与西南技术物理所合作,生长抗光折变铌酸锂生长抗光折变铌酸锂 晶体晶体,被称为被称为“中国之星中国之星

7、”1991 Mok等人在等人在LN中存入了中存入了 5000幅全息图幅全息图1996 普林斯顿首次从实验和理论上证明了部分非相干光的普林斯顿首次从实验和理论上证明了部分非相干光的 亮、亮、 暗孤子的存在暗孤子的存在1998 光折变光子晶格的研究，反常折射、反常衍射、离散衍射光折变光子晶格的研究，反常折射、反常衍射、离散衍射2000 Soljacic等人对非相干光调制不稳定性（等人对非相干光调制不稳定性（MI）的研究）的研究 Segav实验上实现了光的横向安德森局域化实验上实现了光的横向安德森局域化2007 Buse等人在等人在LN中发现了电子密度的超慢中发现了电子密度的超慢shock wave

8、光折变空间孤子、光存储、非相干光的非线性光折变空间孤子、光存储、非相干光的非线性91980 张光寅等人与西南技术物理所合作张光寅等人与西南技术物理所合作,生长抗光折变生长抗光折变 铌酸锂晶体铌酸锂晶体,被称为被称为“中国之星中国之星”1990 许京军许京军 自泵浦相位共轭器自泵浦相位共轭器1991 刘思敏、张国权等光折变空间孤子刘思敏、张国权等光折变空间孤子1997 陈晓军生长出近化学计量比铌酸锂晶体，陈晓军生长出近化学计量比铌酸锂晶体， 氧化钾助溶剂法氧化钾助溶剂法1998 孙骞、张心正、许京军等光折变体全息存储孙骞、张心正、许京军等光折变体全息存储2000 许京军、乔海军紫外光折变效应许京

9、军、乔海军紫外光折变效应2001 姚江宏、陈云琳姚江宏、陈云琳PPLN的研究的研究2002 陈志刚、楼慈波等光子晶格的研究陈志刚、楼慈波等光子晶格的研究南开大学对光折变效应及铌酸锂的研究南开大学对光折变效应及铌酸锂的研究:102002孔勇发等人同成分大尺寸（孔勇发等人同成分大尺寸（3英寸）铌酸锂晶体英寸）铌酸锂晶体2004 张国权等利用运动折射率光栅实现光速减慢张国权等利用运动折射率光栅实现光速减慢2007 孔勇发掺锆孔勇发掺锆Zr、V、Yb铌酸锂晶体铌酸锂晶体(高价掺杂高价掺杂) 快响应紫外光折变快响应紫外光折变2007 楼慈波在脊背型光子晶格中观察到带隙孤子串楼慈波在脊背型光子晶格中观察到

10、带隙孤子串2009 张心正等利用表面空间电荷场制备了表面金属光栅张心正等利用表面空间电荷场制备了表面金属光栅2010 张心正等在铌酸锂微晶悬浊液中实现了相干张心正等在铌酸锂微晶悬浊液中实现了相干 背散射的光调控背散射的光调控2010 孔勇发发现四价掺杂铌酸锂具有优良的抗光损伤特性孔勇发发现四价掺杂铌酸锂具有优良的抗光损伤特性2011 张国权低温紫外吸收边的研究张国权低温紫外吸收边的研究南开大学对光折变效应及铌酸锂的研究南开大学对光折变效应及铌酸锂的研究:11应用应用:研究方向研究方向:（1）进一步深入了解光折变效应的微观物理机制；进一步深入了解光折变效应的微观物理机制；（2）研究与光折变效应相

11、关及伴生的非线性光学效应、现象及电光过程；）研究与光折变效应相关及伴生的非线性光学效应、现象及电光过程；（3）发现、改进和研制高性能的光折变材料和抗光折变材料；）发现、改进和研制高性能的光折变材料和抗光折变材料；（4）利用光折变效应研制高性能的实用器件；）利用光折变效应研制高性能的实用器件；（5）由于光折变材料的非瞬时响应性质，而且其响应时间可以通过入射光强来调）由于光折变材料的非瞬时响应性质，而且其响应时间可以通过入射光强来调节，因而可利用它研究非相干光的非线性光学效应。节，因而可利用它研究非相干光的非线性光学效应。（6）在低功率下实时制作光折变光学感应光子晶格（波导阵列），研究在非线性）在

12、低功率下实时制作光折变光学感应光子晶格（波导阵列），研究在非线性周期系统中的自局域态和衍射控制。周期系统中的自局域态和衍射控制。三维光折变体全息存储器、自泵浦相位共轭器、窄带滤波器和定向耦合三维光折变体全息存储器、自泵浦相位共轭器、窄带滤波器和定向耦合器、光象放大器和振荡器，由光折变孤子写入并存储波导，空间光调制器、光象放大器和振荡器，由光折变孤子写入并存储波导，空间光调制器以及在光学信息处理、光计算及神经网络技术方面的各种实用器件。器以及在光学信息处理、光计算及神经网络技术方面的各种实用器件。 12掺杂元素对铌酸锂光折变性质的影响掺杂元素对铌酸锂光折变性质的影响:（1 1）可变价态的铁（）可

13、变价态的铁（FeFe）、）、铜（铜（CuCu）、）、锰（锰（MnMn）等过渡族元素杂质后，会增强晶等过渡族元素杂质后，会增强晶体的光折变性能，提高其光折变灵敏度；体的光折变性能，提高其光折变灵敏度；（2 2）单一价态和满壳层的元素镁（）单一价态和满壳层的元素镁（MgMg）、）、锌（锌（ZnZn）、）、铟（铟（InIn）等会使材料光折变等会使材料光折变灵敏度大大降低（在可见光光谱区范围内）灵敏度大大降低（在可见光光谱区范围内） 常见的光折变材料：常见的光折变材料：* * 铁电氧化物铁电氧化物 LiNbO LiNbO3 3、LiTaOLiTaO3 3 BaTiO BaTiO3 3、KNbOKNbO

14、3 3、SrSrx xBaBa1-x1-xNbNb2 2O O6 6(SBN)(SBN)等等* * 立方硅铋族氧化物立方硅铋族氧化物 Bi Bi1212SiOSiO2020(BSO)(BSO)、BiBi1212GeOGeO2020(BGO)(BGO)、BiBi1212TiOTiO2020(BTO)(BTO)等等* * 半导体材料半导体材料 GaAsGaAs、InPInP、CdTeCdTe等等 * * 电光陶瓷电光陶瓷 PLZT PLZT * * 有机聚合物有机聚合物 PMMA/DMPAPMMA/DMPA131.2 光折变效应的物理机制光折变效应的物理机制光折变模型光折变模型（1 1）电光晶体内

15、的杂质、缺陷和空位作为电荷的）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；产生光激发载流子；（2 2）光激发载流子（在导带中的电子或价带中的）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；作用下的漂移而运动；（3 3）在辐照区的迁移电荷可以被陷阱重新俘获，）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、它们经过激发、迁移、俘获，再激发、直至到直至到达暗区被处于深能级的受主

16、重新俘获。形成了正、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；空间分布相对应；光折变过程光折变过程光折变过程及物理机制光折变过程及物理机制:14光折变模型光折变模型（4 4）这些光致分离的空间电荷在晶体内建立了）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；空间电荷场又通过电光效相应的空间电荷场；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（对折射率变化。如果晶体不存在反演对称性（对称中心

17、），则空间电荷场通过线性电光效应称中心），则空间电荷场通过线性电光效应（泡克尔效应）引起折射率的变化；如果晶体（泡克尔效应）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。效应（克尔效应）引起折射率的变化。 光折变过程光折变过程光折变过程及物理机制光折变过程及物理机制:15光折变过程中自由载流子的迁移机制光折变过程中自由载流子的迁移机制: 扩散、漂移和光生伏打机制扩散、漂移和光生伏打机制*扩散机制（扩散机制（Amodei）：）： 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，在浓度梯度作用下形成了扩散电流，其电流密度为在浓度梯度作用下形成了扩散电流，其电流密度为* *漂移机制（漂移机制（ChenChen）：）：载流子在电场作用下的迁移，电场包括外加电场和空间电载流子在电场作用下的迁移，