光折变晶体掺杂铌酸锂的前向二波耦合特性及其应用研究（可编辑）

光折变晶体掺杂铌酸锂的前向二波耦合特性及其应用研究（可编辑） 光折变晶体掺杂铌酸锂的前向二波耦合特性及其应用 研究 山东大学 硕士学位论文 光折变晶体掺杂铌酸锂的前向二波耦合特性及其应用研究 姓名:杨旭东 申请学位级别:硕士 专业:凝聚态物理 指导教师:邵宗 书 关于书的成语关于读书的排比句社区图书漂流公约怎么写关于读书的小报汉书pdf 2002.5.18要 摘 光折变效应广泛应用于全息存储、光学相位共轭、光通讯、光学运 硝 ; 算每光信息处理领域。而且,随着研究的不断深入,各种新现象、新器 件仍不断涌现,在以“光子”取代“电子”的“信息革命”中,光折变 效应扮演着越来越重要的角色。在众多的光折变材料中,经过掺杂、 折 域 体 中离子的掺杂种类和浓度、晶体所采用的后处理方式、实验耦合光束的 波条件等影响光折变效应的主要因素进行了研究,并初步研究了铌酸锂 晶体光存储方面的应用,主要内容包括: .从理论上分析了光折变前向二波耦合过程,并基于有利于实验和分 析的 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 ,选择光折变光栅相对晶体极轴的偏向角和耦合光束波矢 的夹角作为参考因子,给出铌酸锂晶体前向二波耦合理论曲线。分 析得出,为获得大的二波耦合强度,实验中应采取较小入射光夹角 和入射光为光的办法。 . 以前向二波耦合实验为主要研究方法,对影响掺杂铌酸锂晶体光折 变性能的主要因素进行了研究,包括晶体中掺杂离子种类、后处理 方式、耦合光束空间分布,光伏效应等竹隹要内容有: 测量了各样品的透过谱,分析得出在工作波长.处,对于 掺铌酸锂晶体,随着离子掺杂浓度和还原程度的增加,样 品的透过率、箴小,光吸收增加: ; 山东大学硕士学位论文 作者:扬旭东 进行了前向二波耦合实验,对各样品二波耦合强度的空间和时间 特性进行了研究,并结合透过率实验结论,以及与掺杂离子种类、 后处理方式之间的对应关系,得出利用较小角变入射、加大样品 施主中心浓度的方法有利于获得强度更高和时间响应更快的二波 耦合性能; 研究了光伏效应对样品光折变性能的影响,包括强纵向光伏效应 对二波耦合的调制,以及利用横向光伏效应在包括抗光折变性质 在内的样品中 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 下偏振态信息; 研究了铌酸锂晶体的光存储性能,分析了读出信号的质量和强 度,结合前向二波耦合实验结果,并针对铌酸锂晶体光存储应甩,,一 、/ 方面存在的疑难, 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf 了一些获取较好质量光存储的方法;/ ? . 最后总结了本论文的主要工作结果,并基于本研究领域的进展状况, 对今后有待开展的研究工作提出了设想。 论文主题词 光折变效应铌酸锂晶体前向二波耦合光存储光伏效应, ., ,‘‘ “” , ”“” , ,,,,,. ., 。 . ; ,, . . .. ., ,,?, , ,/ 一 .山东大擘硕士学位论文 作者:扬旭东 .. ? .,,.. , , . , . : , , , , 山东大学硕士学位论文 作者: 杨旭东 第一章绪论 ?.光折变效应简介 光折变效应 是光致折射率变化效应 的简称。它可以将光强的空间分布转 化为光折变晶体内相应的折射率空间分布,并且可以引起光束间能量的 耦合和信息的传递。这种效应在光全息存储、光学图象处理、光学相位 共轭等方面得到了应用【】。随着这一研究领域的不断深入和扩展,已经 形成了非线性光学的一个重要分支??光折变非线性光学。 年,实验室的等研究者在进行激光倍频实验时,发 现激光照射下的铌酸锂晶体的折射率发生非均匀的变化,并因此导致光 束的畸变和散射,破坏了倍频相位匹配条件。因此被称为“光损伤”。 这种“损伤”可以保持相当长的时间,并且可以在强的均匀光照射或者 高温下消除“损伤”,恢复原状。后来,人们利用这种现象记录全息图像, 使得这种晶体“光损伤”现象发展为现在的获得了广泛而深入研究的光 折变效应。 光折变效应的物理过程可以概括为:材料中的电荷电子或者是空 穴吸收光予后发生能级跃迁,通过扩散、漂移和异常光生伏打效应做 空间迁移运动,导致空间电荷重新分布,在分布不均匀的情况下形成空 间电荷场,然后通过电光效应使材料的折射率发生相应的变化,进而影 响材料中光波的传播。研究光折变效应的主要参数有:电光系数、介电 系数、光电导、暗电导、载流子类型、有效载流子浓度和载流子迁移率 等。它们都与研究过程中所采用样品的结构、掺杂性匝、生长缺陷有关, 同时还是入射光波长、强度、入射方向、温度和外加电场等实验条件的山东 大学硕士学位论文 作者: 杨旭东 函数。 光折变效应是一种非线性光学效应。与一般的需要强光条件的非线 性光学效应的机制截然不同,它源于光生电荷载流子的迁移,因此光折 变效应的阈值很低,在毫瓦级功率的光照下就可以发生。而且,它是一 种非局域效应,使得光场与折射率的分布存在一个相移,导致光束间能 量的转移,这也是一般非线性光学效应不具有的性质。 目前,用于解释光折变效应的理论有电荷跳跃模型脚和 带输运模型。跳跃模型认为电荷的迁移是由一个陷阱位置到 另一个陷阱位置的跳跃过程,以直观的方式描述了光激发电荷的迁移运 动。带输运模型则较详细的考虑了电荷的扩散、漂移和光生伏打效应对 迁移运动的贡献,并提出了一组光折变动力学方程,较全面的分析了光 折变效应的微观过程,是目前使用的最权威的理论。本文工作采用的是 带输运模型。 由于光折变效应可以将光波的振幅、相位、偏振、频率的信息转化 为光折变材料自身折射率的变化,所以它在光信息处理领域得到了广泛 的应用。 应用光折变效应实现光信息处理的方法很多。例如,通过二波耦合 可以增强弱光信号,实现光放大;通过四波混频产生相位共轭波可以复 原畸变了的图像,用来改善激光器输出光束的质量或者提高光纤传导信 息的质量: 通过自聚焦或者自散焦形成光折变空间孤子,用于集成光学 的信息处理;通过掺杂深能级杂质和紫外激发实现光折变永久性存储等。 总之,光折变效应广泛应用于全息存储、光学相位共轭、光放大干涉仪、 光刻、光互联、光学逻辑运算等光信息处理领域。而且,随着研究的不山东 大擘硕士学位论文 作者: 扬旭东 断深入,各种新现象、新器件仍不断涌现,在以“光予”取代“电子” 的“信息革命”中,光折变效应将发挥重要作用?.“”。 从应用的角度出发,需要考察的光折变性能有:光折变灵敏度,光 折变动态范围折射率的最大变化范围,折射率光栅与光场之间的相移, 光折变记录和擦除时间,以及光折变效应对入射光波长、外加电场、温 度、和光栅空间频率的依赖性等。 ?.光折变材科 光折变材料主要分为以下几类: 铁电晶体,包括铌酸锂、钽酸锂,、钛酸钡 ,、铌酸钾,等。这类晶体电光系数大,所存储的全 息光栅具有高的衍射效率,缺点是响应速度较慢.。 铋硅族氧化物,包括硅酸铋。:。、锗酸铋,:?、钛 酸.必,:等。这类晶体的响应时间短一,光折变 灵敏度较大,缺点是电光系数较小。 化合物半导体,包括磷化铟、砷化镓、磷化镓、 碲化镉、硫化镉、硒化镉、硫化锌等。这 类晶体的载流子迁移率大,响应时间短,灵敏度高,缺点是电光 系数较小,且对可见光不透明。 量子阱材料,例如利用分子束外延获得的.多量子 阱材料,它具有载流子迁移率大、响应时间短、灵敏度高的优点, 电光效应要比半导体材料的大,只是由于厚度小,所以用于全息 存储的衍射效率很低。山东大学硕士学位论文 作者: 扬旭东 此外,光折变材料还包括有机光折变材料,以及透明电光陶瓷材料。 由于不同光折变材料的性能差别很大,所以应用的领域也有区别。 对于响应时间短、灵敏度高的光折变材料,比如某些铋硅族氧化物和光 折变半导体材料,适合用于光放大、实时干涉计量等。铁电晶体的时间 响应较长,衍射效率较大,适合全息存储等应用。 铌酸锂晶体在光存储、光放大、光孤子等光学信息处理领域中是研 究的热点。它的居里温度为。,在此温度以下晶体处于三方相,对 称点群为。与其它的铁电光折变晶体相比,铌酸锂晶体更易于获得高 质量大尺寸的单晶,用提拉法生长的晶体易于人工单畴化,在使用过程 中不会出现退极化问题。而且铌酸锂晶体除具有电光和光折变效应外, 还具有良好的压电和声学性能,这种综合性能使铌酸锂晶体具有广泛的 应用前景。 铌酸锂晶体的有关光折变参数以及和其它光折变晶体的比较表 】】 表.光折变晶体主要参数列表 参数 , 居旱点、 . .. . 折射率 . . . 巩.。介电常数 产 , ., 电光系数., × ~ ~” ’ ‘当圭叁耋丝圭兰竺垒圭 竺童丝垫查 表. 晶体样品参数 : . × % ... :.: ... :. ... :.;:. ... :.::. ... :.;:. ... :.;:. . .. :.;:. .. . :.;:. .. . :.;:. : ... .×.. :.;:. ... :. :% ,. ..×. ... :% /. ... :% /. ... :%;:% ... :%;:% ... :% :% ... . :% .. .×.. :%;:% 铌酸锂晶体经过掺杂和后处理氧化一还原处理等,其光折变性质 可以发生很大的改变。比如在掺铁的铌酸锂晶体中,存在“、”离子。 变价铁离子作为施主和陷阱中心,在晶体内的价带与导带之间形成了一 些新的能级,直接影响光折变过程。通过还原处理提高铌酸锂晶体中二 价铁离子的浓度,可以很大的提高晶体的光电导,从而提高光折变响应 速度。通过氧化处理提高铌酸锂晶体中的三价铁离子浓度,降低了晶体 的光电导,这可以延长晶体的光折变存储寿命。通过掺杂、、、山东大学硕士 学位论文 作者: 扬旭东 等离子也可以改变晶体的光电导和其它性质,使得铌酸锂晶体的光折 变性能不断改善,应用范围不断扩展,这是近来光折变效应研究的热点 。本工作研究采用的实验样品包括多种掺杂方式和后处理方式的铌酸 锂晶体,其掺杂、后处理和尺寸数据列于表.。 ?.光折变二波耦合 光折变晶体在低功率的激光作用下,就具有很强的非线性效应。两 束或更多的光束在光折变晶体中发生耦合作用,是光折变晶体在非线性 光学领域应用的基础,而二波耦合作用是一种最基本最重要的耦合作用。 通过二波耦合,光折变晶体内的两束入射光之间会发生能量转移,可以 将其中的一束光放大,同时也将这柬光携带的光强信息读出。这是光折 变晶体光放大和光全息存储应用的依据。对二波耦合的研究,可以认知 晶体的很多光折变性能,以及实现相应的功能应用。 光折变晶体中的光波耦合呈动态特性。光强的空间分布导致晶体的 折射率调制,形成相移型折射率光栅。该相移型光栅反过来影响光的传 播,产生光束间的耦合。这与一般全息记录过程中的光波耦合过程是不 同的,是一种自写入自衍射过程,这使得光全息记录与读出过程可以同 时完成,具有良好的应用前景:但这也使得对光波在光折变晶体中耦合 作用的理论分析变得非常复杂,难以得到严格解。 实验研究光折变晶体二波耦合过程,可以采用前向二波耦合和相向 二波耦合两种方法。这两种实验方法都可以较好的反映晶体光折变性能。 对于铌酸锂晶体,报道文献中一般多采用前向二波耦合方法进行研究 旧’“’”,这也是本文工作选择的实验方法。 山东大学硕士学位论文 作者: 扬旭东 ?.本论文主要工作 实现更强的光折变效应一直是该领域研究者探求和努力的方向。本 文工作正是围绕这一内容展开。以具有广阔应用前景的铌酸锂晶体作为 研究对象,对影响光折变效应的离子掺杂种类、后处理方式、耦合光束 的波条件等因素进行了研究。 第二章从理论上分析了光折变前向二波耦合过程,给出了铌酸锂晶 体前向二波耦合系数表达式和理论曲线。 第三章对掺杂铌酸锂晶体的前向二波耦合特性进行了实验研究。分 析了离子掺杂种类、后处理方式、耦合光束空间分布与晶体二波耦合性 质的关系,并与理论结果进行了比较。 第四章研究了光伏效应对光折变性能的影响。在抗光折变晶体中利 用横向光伏效应实现了二波耦合和偏振态的记录,扩展了光折变效应的 研究领域。 第五章对前向二波耦合在光存储方面的应用进行了研究。总结了在 掺杂铌酸锂晶体中实现高质量光学图象存储的方法。 第六章是本论文的内容总结和对今后工作的展望。 第二章 光折变前向二波耦合理论 使用带输运模型,光折变效应引发的复杂电光一光电过 程可以描述如下:电光晶体中的杂质、缺陷和空位,在晶体禁带隙中形 成施主能级和受主能级,成为光激发电荷的主要来源;电荷受光辐照跃 迁到导带或者价带中,受浓度梯度下的扩散、电场作用下的漂移和光伏 效应这三种机制的作用发生迁移运动:迁移的电荷通过声子碰撞和自发 辐射而损失能量,并被受主俘获如图.所示:对于光强大的位置, 电荷被激发的几率大一些;光强小的位置,电荷被俘获的几率大一些: 通过不断的激发、迁移和俘获,最终形成相应于光场分布的空间电荷场: 空间电荷场再经过线性电光效应使材料的折射率发生空阃调制,形成折 射率位相光栅。 \\/\/ 迁移运动 彳 入彳入 导带 \‖ 光子 / ????专 激发 俘获 \夕\/ 八//、 \/\/ 图.光折变效应带输运模型的基本原 图.余弦分布的光场导致光折变晶体内 理。阴影小球:施主中心;空心小球:受 电荷密度、空间电荷场、折射率的调 制 主中心 假定只有一种电荷电子参与光折变过程中的迁移,而且只受浓 扬旭东 作者: 山东大学硕士学位论文 度扩散作用的影响,考虑光场成余弦分布的情况,则上述过程可以形象 的表示为图.。由图解可知,最后的折射率光栅与余弦光场之间存在 /的相移。如果参与电荷是空穴,则相移为一“/。 ?.光折变效应带输运模型 对上述光折变过程,带输运模型给出以下动力学方程组进行描述: 导带中电子产生速率的连续性方程: :盟一三.. . 西 不动的电离施主随时间的变化率: . 攀:,。一怫怫 讲 由三种电荷迁移机制组成的电流方程: . ’/.?歹曲 空间电荷场必须满足的泊松方程: . ?/?;一?一心 受空间电荷场调制的折射率变化方程:?‰一去”;矿。 光的传播方程为 . 铲~吉矿等~ 上述动力学方程中各参量的含义: 电离的施主中 施主中心的总密度 导带中的电子数密度 电流密度 心密度 .受主中心密度无光条件下 ?童查兰竺圭耋竺丝圭 竺童丝苎童 电子的光激发截面 光强分布 电子的热激发速率 电子的复合速率 电子迁移率 电场强度 相对介电常数 。玻耳兹曼常数 。光伏电流密度 。晶体折射率 丫。有效电光系数 空间电荷场 。光场振幅 如果用两束干涉平面光波照射光折变晶体, 可形成一定规律的光强 分布。设入射到光折变晶体内的光波总振幅为: 毛‘’一‘尹‘‘一 . 干涉光强的空间分布为: ,柏‘叫:,篇疆卅印如篇/? . 其中,,。为入射总光强, 毛、为两束入射光波的偏振态,霞霞。一霞: 为光栅矢量。 这种周期分布的光场通过光折变效应,在晶体内部最终可形成调制 的折射率相位栅。由于计算复杂,难以得到光折变动力学方程组的精确 解,所以需要做很多近似。在忽略光伏效应的情况下,解得该折射率相 位栅为“: ?。?唧籍唧瓣卅导唧扔篇? . 作者: 扬旭东 山东大擘硕士学位论文 ?,:涨?‘? 。:.。。 ‘” 其中,是相位栅相对于干涉光场强度分布的空间相移 . 胁?紫 。为外加电场, 。爿霞?足。/,为电荷扩散场,/。霞 为电荷限制场。 ?.光拆变前向二波耦合特性 光折变晶体中的光波传播可用麦克斯韦方程描述: . ?/? \ ‘/ 卅 ? ‘\妒 /二 图.前向二波耦合示意图 假定光束在【平面内传播,光折变晶体中的前向二波耦合示意图如 图.所示。设入射光束截面足够大,使得光波振幅仅与方向有关。 将.、.式代入.式,采用慢变波近似,赂去振幅的二阶导数项山东大学硕士学 位论文 作者: 扬旭东 和两阶模式贞,求得二坡祸合方程: 讽丢铲?等一刚础.. 妒??等刚.. 式中,,、:为晶体内两光波波矢量在轴方向的分量,它们的相对大 小与符号决定着晶体内光栅类型耦合类型和能量耦合特性。 如图.,光波矢量在方向上的分量为: . 届‖州‰。 为两光束夹角的一半,代入波耦合程..、..可得 忑铲一‘茄唧训钏铲争.. 忑铲~扯。/口。州川妒弘.. 式中为入射光波频,为入射光波波长,口为晶体吸收系数。 设两光场的复振幅为: .. ,?一川 .. ?一 代入.式可解得两柬入射光波的强度分别为: 夏 .吖兰叫.. 山东大学磺士学位论文 作者:扬旭东 .. 夏 。,”啮, 相位分别为: ? .. 一出 如一? % 乒 .. 一出 ‘一八 式甲、分别对应于稻合系数的实部和虚部,称为强度耦合系数和位 相耦合系数: 。 ’ 、 . 黑’? ,毛口 。 ’ . 、一 善? 口 .、.方程的解为: .. 玳州生‰一 聊纠 .. ,鬲面雨。一似 .. 。:甲,一 .?二兰 狲 加%事山忑而丽一肄 其中,/,是两束入射光的初始光强比。当埘时,. 式简化为: .. “工』口】 .. :?】 当无外场作用。即。:时,由.式可知体相位栅相对与光 ?,奠“,山东大学硕士学位论文 作者:扬旭东 场的相移妒州。由式.、.可得 。:竺 ’ 臼 . 此时,两束入射光之间只发生能量耦合,没有位相耦合。 根据.和.式,前向二波耦合系数,可写为【” 品等薄 . 耻等而每印; . 女:丝。生?其中定义 七,, 驴蒜 为沿空间电荷场方向的有效介电常数: . 露吾剐霞“。 里学 掣导 从.到.式可以看出,耦合系数的正负与有效载流子 的正负号、两束入射光与轴的相对方向以及有效电光系数‘。的正负变 化有关。 从获得的前波耦合方程的解,可总结出如下规律: 参与作用的双光束的能量转移,依赖于耦合系数的符号,及它 们与晶体光轴的相对取向。正的耦合系数会使光束得以耦合增强,光 ‘杨旭东 作者: 山东大学硕士学位论文 束耦合减弱;负耦合系数的结果则相反,光束得以耦合增强光束 耦合减弱。若对应的耦合系数大于晶体的吸收系数,则通过晶体后的其 中一束光波会强于原入射光强。这也是光折变晶体二波耦合光放大的原 理。 双光束能量转移强弱由强度耦合系数决定。当光折变晶体中的 折射率光栅与光场分布间的相移为/时,其强度耦合系数最大,实验 中以扩散机制为主的晶体,该值总是等于或接近于?/。 由于光栅散射,两光场的相位也会改变,其变化量与两个耦合 系数及入射光束比有关,相应晶体中的折射率光栅也会发生一定量的弯 曲。当巾/时,不存在这种相位改变作用。 ?.铌酸锂量体光折变效应的波耦合计算 沿空间电荷场方向光折变体相位栅波矢方向的前向二波耦合 有效电光系数,。可写为: ”等铲., 对于铌酸锂晶体,其对称点群为,电光张量为: . 忆‰~ 讲助‰ 吒 ? 光频介电张量为皇耋奎兰竺圭兰竺尘圭 竺童丝苎童 心 : . 手 设波矢露相对光轴的偏转角度为夙则单位矢量矩阵为: 心,。, 高仨 设两束入射光与光轴的夹角分别为口。、%,则光和光偏振矢量为: ?, 弘;弘圈~吐, .. 塌笠‘ 。 , 。一 帅: 】 分筹 .. 其中,各物理参数的值为: 。.,。.,///。 将式.至.代入.式,考虑光束与极轴的几何关 系:%州‖目,口州‖一目,最终可得前向二波耦合系数括 与入射光夹角和偏转角度的关系满足: 山东大学硕士学位论文 作者: 扬旭东 肛,‘?而高耘‘鬻’煮扬 .. 芦 占玎:疗:‘ ,芦???【, .. ?十】 ”。 ?占 ‖”‖ 其中,,是与、无关的常数 图.是前向二波耦合系数抬在时随光束入射角变化的比例关 系。图.是前向二波耦合系数括在。时随偏转角度变化的比例关 系。系统本身决定了和是相互独立的变量 分析图.和图.的关系曲线可以得出以下结论: 在偏小的入射光夹角条件下,。时,入射光偏振态是光时的 二波耦合系数总大于光入射的情况。为得到较大的二波耦合,通常 选择光入射,并将控制在。至。之间,而较小或较大的情况不利 于获得大的二波耦合。 当。时,入射光偏振态为光的二波耦合系数殆总小于,二波 耦合能量转移方向会因此发生改变。而且当。时,两种偏振情况的二 波耦合系数抬的绝对值都急剧增加,但考虑实际情况,在大入射角时, 大部分入射光能量会因晶体表面反射增加而不能参与二波耦合过程,而 且晶体中的内反射也会增强,形成多波耦合,使二波耦合过程变的更为 复杂,所以一般情况并不采用。 从前向二波耦合系数括在。时随偏转角度变化的比例关系可以看出,入射光 偏振态是光时的二波耦合系数抬总大于光入射的情况。 而且光入射下,允许在很大的范围里一。变化而仍然保持高 的二波耦合,这是光入射下所不具有的。 庐\影 口 ‘. 。 \. ??? ?? 匝圈‘. 图.前向二波耦台系数在:时随光束入射 角变化的关系 厂 一”? / 、\\、匠 //. ? . . . 口 , 图.前向二波耦合系数丫在。时随变化 的关系 所以综合考虑的结果,为获得大的二波耦合,应采取较小入射角和作者:扬旭 东 山东大学硕士学位论文 入射光为光的办法。 以上结论的得出是基于扩散作为光生载流子的迁移机制的假设,以 及很多的近似,实际情况要复杂的多。对于铌酸锂晶体,它还具有压电、 声光、光生伏打等效应,可影响有效电光系数的值,而且由于存在晶体 表面的反射和内部的内反射、散射,使光波耦合过程更为复杂。 第三章 掺杂离子对前向二波耦合性质的影响 二波耦合方法是研究光折变晶体主要性质的重要手段,也是利用光 折变晶体实现光存储、光放大等应用的常用方法。本章采用二波耦合实 验方法,研究一直倍受瞩目的掺杂光折变铌酸锂晶体,并对实验数据进 行了初步的分析,得到了有利于实现晶体光折变性能的办法。 ?.掺杂铌酸锂量体透过谱分析 掺铌酸锂晶体中,是变价离子,同时存在二价和三价。 二价作为施主中心,提供电子作为光生载流子;三价作为受主中 心,可俘获载流子。通过控制掺杂浓度,以及氧化或还原的后处理技术, 可以改变晶体中二价和三价离子的浓度,从而调整晶体的光折变 性能。在掺铌酸锂晶体中再掺入、等离子也可以改善铌酸锂晶 体的光折变性能““坻”。 .卜. . . . ? 图.掺。双掺、,双掺、离子铌酸锂晶体的 透过谱样品序号按透过率大小顺序排列 掺铌酸锂晶体以及双掺、或、离子铌酸锂晶体的透过扬旭东 山东大学硕士学位论文 作者: 谱如图.所示。按照后处理方式的不同,可以将这些样品分为三组: 氧化态、生长态、还原态。从图中数据可以看出,在工作波长. 处,氧化态的、抖、晶体透过率较大,约%,生长态的、、 晶体透过率明显降低,在%一%之间。晶体也为生长态,其情 况较为特殊,它的离子掺杂浓度很高,为.%,而透过率仅为%, 还原态的、蹦晶体的透过率则更低,在%一%之间。 在还原态组中, 晶体的离子的浓度为.%,高于晶体 的.%,而相应的透过率要低为%,为%。暂不考虑其 它掺杂离子的影响,在其它两组样品中,这种较高离子掺杂浓度对应 较低透过率的关系也同样存在。综合上述分析,可以认为在一定范围内 离子浓度低于.%,提高晶体样品的还原度和离子浓度, 有利于在工作波长.处降低晶体样品的透过率,增加光吸收,以 相应提高光激发载流子电子的密度。 厂?二二 / 目 \\ .?.? 图.单掺,双掺、铌酸锂晶体样品的透过率 对没有掺杂离子的:,还原态和:: 山东大学硕士擘住论文 作者:扬旭东 生长态晶体样品的透过结果列于图.。从图中可以看出,的透过 率为%,接近于掺杂了离子的生长态一组的透过率。在该组晶体中, 同时存在三价和四价态的离子,分别作为样品的施主和受主中心。 ?.前向二波耦合过程的空间特性 仍将掺入离子的晶体样品按照后处理方式的不同分为氧化态、生 长态、还原态三组,分别进行前向二波耦合实验。 /: 图.:前向二波耦合实验光路/;: ;::: ;:::::. 图.为检验晶体纵向光伏效应所采用的二波耦合实验光路,光源 为离子激光器,使用波使用波长为.。轴在入射光平面内。 通过调整半波片九/和偏光镜。获得入射光偏振态 轴,都为偏振光。为全反镜;为半反镜;为衰减片,可调节两扬旭末 山东大学硕士学位论文 作者: 入射光的强度比;为光阑,调节光斑大小;为光电探测器,测定信 号光光强变化。 图.、.、.分别为氧化态、生长态、还原态三组晶体的前向 二波耦合实验结果,给出了二波耦合增益系数和入射角的关系。 图.氧化态掺铌酸锂晶体二波耦合增益系 数和入射角。的关系 从图.可以看出,离子的掺杂浓度仅为.%的和样 品,其二波耦合增益系数的最大值均小于:样品的离子的 掺杂浓度为.%,二波耦合增益系数的最大值为.~。从实 验点的分布趋势看,该组样品的最大值位置大致出现在?。之间。 从图.可以看出,样品的离子的掺杂浓度为.%,二 、样 波耦合增益系数的最大值为.,高于和样品; 品离子的掺杂浓度为.%,二波耦合增益系数最大值分别为 .~、.~。高于样品的. ~。可见生长态组样品的二::。. 皇童叁兰竺圭耋竺篁圭 竺童丝堡童 波耦合增益系数总高于氧化态组的相同离子浓度样品的值。该组样品 的最大值位置也在。一。之间,与氧化态组相同。 ? 侣 伸 一.一 图.生长态掺铌酸锂晶体二波耦合增益系数 和入射角。的关系 , 墨 。 图.还原态掺铌酸锂晶体二波耦合增益系数 和入射角。的关系 图.的结果给出该组、样品的二波耦合增益系数的最大值山东大学硕士学位 论文 作者: 杨旭东 为.~、.一,最大值出现的位置在小于。的范围里。实验中, 晶体的光散射很大,而且伴随强光伏效应,对二波耦合影响很大,使 得实验点分布较为分散。 分析以上结果可以得出如下结论:、随着离子掺杂浓度和还原 程度的增加,铌酸锂晶体的二波耦合性能得到增强;、结合透过率的分 析结果,可以认为二波耦合增强的主要原因来自于光吸收的增强导致光 激发载流子密度的增加:、二波耦合的强弱与入射光夹角有密切的关系, 强二波耦合一般出现在小于。的范围内,这与上一章关于前向二波 耦合理论计算的结果一致。 图.掺与掺、?铌酸锂晶体二波耦合增益 系数和入射角的关系 图.为还原态掺离子、生长态掺、?离子与还原态 掺离子的晶体样品二波耦合增益系数和入射角。关系的实验结果。 从图中可以看出,晶体二波耦合增益系数的最大值为.,出 现在 。的小角度范围内。晶体二波耦合增益系数最大值为山末大学硕士学 位论文 作者:杨旭东 .~,出现在。附近范围内。比较实验结果,可见掺铌酸锂晶 体与掺离子的样品二波耦合特性近似:小角度光入射与还原处理可以 有效提高晶体二波耦合性能。 特别指出的是,晶体的二波耦合能量转移方向与前述所有晶体相 反,考虑到后者的光激发载流子是电子,说明掺铌酸锂晶体的载流子 类型是空穴。 按照光折变理论,光折变晶体中的二波耦合是入射光光强的空间分 布导致晶体的折射率调制,形成相移型折射率光栅,该相移型光栅反过 来又影响光的传播,产生光束间的耦合。因此在二波耦合过程中改变泵 浦光的入射角,当入射光的空间分布改变时,新的光强分布将产生新的 光栅和耦合作用,原折射率光栅及其内部进行的光耦合将消减甚至消失。 而实验结果与此有很大不同。表.列出了、、晶体在泵浦光 入射角小幅减少后二波耦合增益系数的变化幅度/。各晶体的泵浦光 入射角改变量略有不同,但均小于.弧度 表 不同入射角度,小幅减少泵浦光入射角对晶体 二波耦合增益的影响 抖 。 / / 。 / .% .% .% .% .% .% .%% . .%.% . .% 由于在、、晶体中也发现相同现象,考虑到实验光路误差会山东大学硕士学位 论文 作者: 扬旭东 降低光耦合的效率而小幅调整光路有利于减小误差提高效率的因素外, 说明小幅减少泵浦光入射角有利于提高二波耦合强度。另外,光耦合得 到增强后,随着时间的延长,增益系数会保持平稳或是衰减。如何避免 衰减保持较高的二波耦合增益还有待研究。 ?.前向波耦合过程的时间特性 、、、、样品二波耦合增益系数随时间变化的关系 曲线如图.所示。图中曲线斜率大表示该样品光折变响应速度较快,样 品响应速度由快到慢的排列顺序是、、、、。可见还原态、 生长态类的掺铌酸锂晶体比氧化态类的样品具有更高的响应速度。 ? 一 飞 西? ? 图.部分铌酸锂晶体二波耦合增益系数随时间变化的关系 另外,化学计量比分别为.、.、.的掺%铌酸 锂晶体,以及双掺%、%铌酸锂晶体的二波耦合实 验结果显示,该组晶体长时间内无任何二波耦合现象,表现出较强的抗 光折变性能。 皇童苎兰竺圭兰竺兰圭 竺童丝兰童 , 。 《 图. 掺铌酸锂晶体在不同入射光角度下的二波耦 合时间响应曲线 亘 。 图.掺、铌酸锂晶体在不同入射光角度下 的二波耦合时间响应曲线山东大学硕士学位论文 作者: 扬旭东 ?.结论 本章对掺杂、、、、离子的铌酸锂晶体的前向二波耦合 特性进行了研究。实验考虑了掺杂离子类型、后处理方式、光入射角度 和时间响应对晶体样品的二波耦合性质的影响。对实验结果的分析,可 以归纳为以下内容: 、通过还原处理和增加掺杂浓度,以提高铌酸锂晶体中施主中 心的浓度,有利于获得高的二波耦合增益和响应速度; 、采用较小的光入射角方法,有利于获得高的二波耦合增益和响应 速度: 、在二波耦合过程中,小幅减少泵浦光入射角,可以增强二波耦合; 、掺、掺的铌酸锂晶体表现出强的抗光折变能力,这些样品 在倍频或其它方面的应用中,会有较高的抗光损伤阈值。山东大学硕士学位 论文 作者: 扬旭东 第四章掺杂铌酸锂晶体光伏特性 光折变晶体中的光激发载流子的迁移过程包括扩散、迁移和光伏三 种效应,但由于光折变过程本身的复杂性,而且晶体的光伏效应对光折 变实验结果的影响大多比较微弱,所以光折变理论模型一般建立在扩散 机制为主的基础上,并忽略光伏效应来简化分析过程。实际研究中,利 用光折变晶体中存在的光伏效应,可以扩展光折变的应用。 在铁电氧化物光折变晶体,如、、。等,光照下 产生的激发载流子因晶体内杂质周边存在不对称势垒而形成电流,即光 生伏打电流。根据光生伏打效应理论,光生伏打电流是光波电场强度的 双线性函数。按照光伏电流相对晶体极轴的方向,光伏效应可以分为横 向光伏效应 和纵向光伏效应 。当入射光是两束正交偏振光时, 可以获得方向垂直于晶体极轴的光伏电流,即横向光伏效应。当光 场的偏振方向沿晶体极化方向时,晶体内产生沿极轴方向的光伏电流, 称之为纵向光伏效应。 晶体在光照下总的光伏电流为“?: . ,‖盘:驴,【以以’】, 其中,为光伏电流,芦、口分别为光生伏打张量的实分量和虚分量, 爿,为入射光振幅。 ?.纵向光伏效应理论分析 在晶体内,纵向光伏效应可以沿晶体极轴方向产生光伏电流。开生耋查兰竺 圭茎竺丝兰 竺童塑塑童 路情况下,积聚电荷通过介电关系,形成极轴方向的电场。由式. 当入射光偏振态为光是,可得该电场为: 。:唑旦 . 仃 上式中为晶体吸收系数, 。为表征晶体和掺杂的常数,又称高斯 常数,。为晶体的电导率,。为总光强。 二波耦合实验是检验晶体光折变性能的主要方法之一。根据 的光折变理论,入射光波在晶体内激发的载流子经过扩散、 漂移和光伏作用形成内部空间电荷场。。,再通过电光效应形成体相位 栅。相位栅对入射光有衍射作用。该理论给出了空间相移中、二波耦合 强度系数和衍射效率的解析解?】。 西:。。 、 。 鲁一生粤 、仃。。 ’ 、 . ,害等.中 曰 叩 羔 式中。、:分别为入射光的偏振态,为晶体电光系数张量,为 晶体介电系数张量,为入射角,;。为空间电荷场,为外电场,为 扩散电场,。为光伏电场。。。分别为光电导和暗电导,为初始入 射光强比,为晶体厚度。 式.给出衍射效率的大小取决于相位栅的空间相移中和二波耦 合强度系数。当巾/时,二波耦合最强,衍射效率最高;中时, 无二波耦合和衍射产生:中时,二波耦合能量转移方向将改变。实际山东大学 硕士学位论文 作者:扬旭东 研究中,由于光折变过程的复杂性往往将较弱的光伏效应忽略掉,既令 .式中的。。,这种简化近似对于大多数光折变晶体是适用的。 但对于存在强光伏效应的晶体而言,。可以影响中的值在一?/,?/ 之间变化,使衍射效率也相应的改变。 ?。纵向光伏效应实验特性及分析 图 :入射光偏振方向和晶轴的取向 : : 上‖ ‖: 检验晶体纵向光伏效应所采用的二波耦合实验光路如图.,光传 播空间取向如图..所示。光源为离子激光器,使用波使用波长为 .,/,/。轴在入射光平面内。通过调整半 波片/和偏光镜,获得入射光偏振态//://轴,都为 偏振光。晶体样品:.%:,.%:.%: ,.%:。 图.为:和::晶体的二波耦合过程中衍射效 率的时间变化曲线。结果显示在光折变光栅建立一段时间以后,从山东大学 硕士学位论文 作者: 扬旭东 秒开始,样品的衍射效率变化比较平稳,缓慢上升,:的结 果与】类似,不再列出。:而样品的衍射效率急剧变化,幅度最高 可达.%,平均变化幅度为%,而在和晶体中并没有这种衍射 效率剧烈变化的现象。 仃 ? ” ” 々? 。 / 图.::、::晶体二波耦合实验衍射 效率.时间关系曲线 图.实验曲线中给出晶体的衍射效率缓慢变化一段时间约 ?秒后会突然降低,这种时间极短的响应是晶体光伏电场积聚到阈 值后猛然击穿,导致光伏场急剧降低,而且击穿放电可以部分擦除空间 电荷分布,从而降低空间电荷场,因此影响相移巾和衍射效率的大小。 光伏效应对二波耦合的影响是连续的。图.上的第和第个峰 的形成,是在衍射效率缓慢增加尚未达到最大值时突然下降造成的, 击穿在中?“/就发生了;第和第个峰是连续变化下产生的,这时 相移中/,之后的一段下滑曲线及突降说明,击穿是在光伏场又积聚 了一段时间之后发生的。对比这两种情况,波峰形状的变化说明随着击山东 丈学硕士擘住论文 作者: 栖旭东 穿次数的增加,晶体的抗击穿阈值提高,但也伴随着衍射效率有降低的 趋势。产生此过程的详细机制和理论推导有待进一步详细研究。 图.是种晶体样品的透过谱。比较透过率曲线,可以得到晶体 样品的吸收情况。在一波长之间,显然有 ?..。在同 等光强下,实验显示晶体具有比、更强的光伏效应,结合. ? 盯 宝 ? 广 ? ? ? 篇 叭 广 ,一 ? ? 图.:实验样品透过谱曲线 式,证明双掺杂::晶体与单掺或的嘣晶体相比,其较 大的吸收系数是导致强纵向光伏效应的重要因素。 在本实验中,当晶体内建立起光栅并对入射光产生衍射时,用偏振 片检验衍射光偏振态,结果为:’//.//轴。再调整实验光路,使入射 光偏振态。上轴,其它实验条件不变。原晶体内光栅对入射光依然会 衍射,检验衍射光偏振态的结果为。’//.轴。比较实验结果,说明 原光栅并未记录入射光的偏振信息。