單晶硅非線性光學性質的研究論文

2012 屆 本 科 畢 業(yè) 論 文題目：單晶硅非線性光學性質的研究單晶硅非線性光學性質的研究摘要：文章采用 技術、單光束掃描法, 從非線性折射率、非線性吸收Zscan系數(shù)、非線性極化率等角度,對單晶硅以及多孔硅非線性光學性質進行深入的研究，以便為新材料的深入研究提供一些有價值的參考。其各章主要內容如下：首先，介紹非線性光學現(xiàn)象、研究的目的和意義，以及半導體及其納米復合物的非線性光學效應和研究進展。其次，闡述單晶硅的特性、 技術，并就 技術的角度對單晶ZscanZscan硅非線性光學參數(shù)，即非線性折射率、非線性吸收系數(shù)、非線性極化率等進行測量。最后，介紹多孔硅非線性光學，從實驗的角度認識多孔硅結構與發(fā)光機理的非線性，應用單光束掃描法對三階非線性光學性質進行實驗分析。關鍵詞：單晶硅；非線性光學；多孔硅；Z-scan技術；單光束掃描法The study of nonlinear optical propertiesof Monocrystalline siliconABSTRACT：This paper adopts Z-scan technology, single beam scanning method, from the angle of nonlinear refractive index, nonlinear absorption coefficient, nonlinear polarizability,etc, further research have been studying for the nonlinear optical properties of Monocrystalline silicon and Porous silicon, so that it can provide some valuable reference for the further research of new materials. Its main content chapters are as follows:First of all, introduce the nonlinear optical phenomena, the purpose of the research and meaning, and, the nonlinear optical effect and research development of the semiconductor and its nano complex.Secondly, this paper expounds the characteristics of Monocrystalline silicon, Z-scan technology, and the measurement of the Nonlinear optical parameters of Monocrystalline silicon through the Z-scan technology, such as the measurement of nonlinear refractive index, nonlinear absorption coefficient, nonlinear polarizability, etc.Finally, this paper introduces the nonlinear optical of porous silicon, from the point of view of experiment know the porous silicon structure and the nonlinear of emitting mechanism, and the paper analysises the Three order nonlinear optical properties of Porous silicon through the experiment of Single beam scanning method.Key words: monocrystalline silicon；nonlinear optics；porous silicon；Z-scan technology；single beam scanning method目 錄第一章 非線性光學 .1.1 非線性光學現(xiàn)象 .1.2 非線性光學性質研究的目的和意義 .1.3 半導體及其納米復合物的光學非線性 .1.3.1 半導體材料的光學非線性 .1.3.2 半導體納米復合物的非線性光學效應 .第二章 單晶硅非線性光學 .2.1 單晶硅的特性 .2.2 Z 掃描技術的原理 .2.3 Z 掃描技術的理論計算 .2.3.1 非線性折射率 .2.3.2 非線性吸收系數(shù) .2.3.3 三階非線性極化率 .2.4 測量單晶硅的非線性光學參數(shù) .2.4.1 高斯光束 掃描技術（典型透射 技術） .ZZscan2.4.2 雙色光 Z 掃描技術 .Tsc2.4.3 雙光束時間分辨率 掃描技術 .Rsc2.4.4 遮擋 .scanEs2.4.5 反射 .ZR第三章 多孔硅非線性光學 .3.1 多孔硅 .3.2 多孔硅結構與發(fā)光機理的非線性光學研究 .3.3 多孔硅 1064nm 波長處三階非線性光學性質 .參考文獻 .致 謝 .第一章 非線性光學1.1 非線性光學現(xiàn)象物質在強光如激光束的照射下，其光學性質發(fā)生了變化，而這種變化又反過來影響了光束的性質，研究這種光與物質的相互作用就是非線性光學的內容。激光問世之前，人們對光學的認識主要限于線性光學，光束在傳播過程中頻率不會改變，介質的主要光學參數(shù)，都與入射光的強度無關。激光問世以后，在激光這一強光作用下，光學參數(shù)會發(fā)生變化，非線性光學效應來源于分子與材料的非線性極化，這種在激光作用下發(fā)生的異于線性光學范疇的現(xiàn)象屬于非線性光學現(xiàn)象。非線性光學研究的內容可概括為兩個方面：一方面是非線性光學現(xiàn)象與效應的發(fā)現(xiàn)及它們產生的機理和規(guī)律性的研究、非線性光學新技術的發(fā)展和新材料的發(fā)現(xiàn)；另一方面是把非線性光學效應和技術應用到相關領域，如：倍頻技術在激光核聚變中的應用，光學相位共軛技術在改善激光束質量中的應用，自適應光學技術、集成光學、光學信息存儲與實現(xiàn)全息顯示技術等。我們知道當較弱的光電場作用于介質時，介質的極化強度 P 與光電場 E 成線性關系：0PE其中 為真空介電常數(shù) 為介質的線性極化系數(shù)。 0在強光作用下，光電場所感應的電極化強度與入射光電場強度的關系為：P( ,t)= E+ + + (11)0(1)0(2)0(3)E其中 為真空中的介電常數(shù)， 為介質的線性極化率，通常情況下 為01 (1)復數(shù)張量。由張量定義可知，只有那些非中心對稱的分子和晶體，才能顯示出二階非線性光學效應，而中心對稱的分子和晶體，則顯示出三階非線性光學效應。在線性光學范疇內，配合電磁波在介質中的波動方程，可以解釋為介質中存在的吸收，折射和色散等效應。相應的與二階非線性極化張量 有關的效(2)應為二階非線性效應，與三階非線性極化張量 有關的效應為三階非線性效(3)應等等，還有更高階得非線性效應，我們主要就三階非線性效應進行研究?？偟娜A電極化率可表示為：( )= (12)3)iPe0(3)123123,)()(ijklejkiE其中 為三個不同的入射光場，三階非線性123,ej iE光學特性涉及三束入射光場，可產生許多不同的三階非線性光學過程，其中包括三次諧波 ，Raman和Brillouin散射(3),),以及三波和四波混頻 過程。(3)121, (3),)非線性光學材料的應用非常廣泛，如光開關，光存儲，光通訊等，有望在光信息領域得到應用的三階非線性光學材料必須具備下列性能：(1)具有較高的三階非線性極化率系數(shù) 。當材料的三階非線性極化率系(3)數(shù) 達到并超過 esu時，適用于光學信息的并行處理：但對于光學信息的(3)910串行處理，則需要材料具有更高的三階非線性極化率系數(shù) 。(3)(2)具有較快的時間響應。當材料的光學非線性響應小于皮秒甚至達到飛秒量級時，才能充分體現(xiàn)全光信息處理高速度的優(yōu)良特點。(3)具有較好的物理、化學和光化學穩(wěn)定性，良好的物理機械性能，較高的光學損傷閾值，這是材料應用的重要前提之一。(4)有較低的光學損耗。較低的光學損耗是光學器件得到應用的重要要求。(5)成本低廉，加工性能優(yōu)良。光信息處理器件要求具有性能優(yōu)良且價格低廉的薄膜或線材，要求材料具有優(yōu)良的加工性能。1.2 非線性光學性質研究的目的和意義具有快的非線性響應、大的非線性光學系數(shù)、好的環(huán)境穩(wěn)定性、可加工性和高品質的理化性能一直是非線性光學材料研究的重點，并在無機、有機等領域都取得了較大的進展，研究、開發(fā)出了許多具有代表性的非線性光學材料，人們對半導體納米材料的研究開辟了人類認識世界的新層次，也開辟了材料科學研究的新領域?？偟目磥?，半導體納米材料的光學性能研究已經取得了很大進展，人們己建立起了半導體納米微粒中電子能態(tài)的理論模型，在材料的線性光學和非線性光學性能方面都開展了大量的工作，獲得了很多有重要意義的成果。但是還有許多問題需要進一步深入研究。然而，由于半導體材料本身存在響應速度慢，線性和非線性吸收產生的熱效應影響性能，尤其是半導體納米顆粒的穩(wěn)定性等缺點，導致其在有些方面的應用受到一定限制。而有機、無機復合材料則可以綜合兩者的優(yōu)點，成為目前非線性光學材料研制工作中勢在必行的趨勢，具有很廣闊的前景。作為這類材料的代表，半導體納米復合材料最近引起了越來越多的人們的注意，但這類新材料的研究時間還較短，還有許多問題需要進一步深入研究，如這類新材料的制備技術不多，不夠完善，半導體納米顆粒和有機聚合物間的作用形式作用機理還要不斷完善，非線性光學的增強機制還需要進一步的探討。本文試圖通過研究該種納米聚合物的線性和非線性，為完善該類材料的非線性提供有價值的實驗和理論上的參考，通過研究部分半導體納米復合物的非線性，為尋找大的非線性光學材料提供方向。本論文主要研究了不同半導體納米顆粒濃度，不同退火溫度，不同微結構等對材料的線性和非線性光學性質的影響，研究了量子尺寸效應、表面效應、不同實驗條件等對材料的非線性光學性質的影響，發(fā)現(xiàn)其非線性現(xiàn)象和規(guī)律，并探究其原理和機制，加速該類材料的實用化進程。1.3 半導體及其納米復合物的光學非線性1.3.1 半導體材料的光學非線性對于半導體激光器、發(fā)光二極管等半導體光子器件，人們要求它們要有很好的輸入輸出線性。但在一定的條件下，許多半導休材料卻表現(xiàn)出很強的非線性效應。要想在半導體中得到非線性效應，除了半導體材料本身應具有較大的非線性極化率 外，還必須對其施以足夠的場強。實驗表明，在有些23、半導體中，當入射光子能量與半導體材料禁帶寬度相近 時，可以通hgE即過共振效應在半導體中激發(fā)起很強的高階非線性效應。在具有反演中心的對稱晶體結構中(例如具有金剛石結構的 和 、具有GeSi巖鹽結構的 等，它們都是中心對稱的 )當電場 的符號反向,要求極化強度PbTe的符號改變，只能是 因而不存在二階非線性。但是不論在中心對稱還20是在非中心對稱的半導體中，都存在三階非線性效應。物質的三階非線性效應與其結構對稱性無關。也就是說，按照品體的對稱性質，半導體材料都能表現(xiàn)出三階非線性光學效應。與其它材料相比，半導體材料的非線性極化不僅與其晶格振動有關，而且受到來自于非拋物線能帶結構中(例如重摻雜情況)自由電子和空穴的影響，以及載流子遭受散射的影響。一般來說在半導體中可能產生非線性效應的波長范圍，在短波長段是與半導體的帶隙相聯(lián)系的，而在長波長段則與品格振動產生的光學聲子的強反射有關。半導體材料的三階光學非線性一般可分為以下四種主要類型:1.本征非線性本征非線性是指完全由于光的吸收而引起材料的光學非線性，在半導體中當吸收一個光子后，由價帶到導帶形成自由載流子或激子，其濃度的大小決定了半導體的光學性質。2.光電混合非線性一般是指加電場后的非線性，涉及的機制和效應主要有效應, 效應及自電光效應。FranzKeldyshStark3 熱致非線性指非線性光學元件的高閥值帶來的熱效應使半導體升溫，禁帶寬變窄，吸收邊紅移，吸收系數(shù)的改變引起折射率的變化。4.摻半導體玻璃非線性是一種新的結構，其非線性機制有許多地方與半導體材料相似，如自由載流子等離子體非線性、帶填充等。另外，按照入射光的波段，大多數(shù)的研究者都認為半導體材料三階非線性可以分為共振非線性和非共振非線性。非共振非線性是指用低于材料的光吸收邊的光照射樣品后導致的非線性效應。其非線性主要涉及局域場效應和電子結構的非諧性，電子結構的非諧性來自電子云的扭曲，因而非線性效應小，但這個過程相當快。由此可見，非共振非線性的特點是非線性效應小，光響應時間快，光損失小，屬于一種被動非線性過程。 等從局域場的角度出發(fā)認為:半.YWang導休微晶通常分散在一個低折射率介質中，因而當光通過時，半導體微晶內部的電場將被增強，從而導致非線性效應的增強。323NFQ 1式中 二為局域場增強因子。NFQ共振非線性是指用高于吸收邊的光去照射樣品，當入射光子弛豫到共振能級后，能量和兩個能級電子態(tài)能量差值相接近或重合時而導致的非線性響應，由于共振加強，這將引起電子結構較大的非諧性，該非諧性源于電子在不同能級的分布。共振非線性的特點是非線性效應較大、響應時間變慢、由光吸收造成了光損失。它屬于一種主動非線性過程。對非線性光學的研究，其重點是利用共振增強來得到大的非線性效應。我們在后面的實驗，都利用高于吸收邊的激光束來激發(fā)材料，從而通過共振增強來獲得高的三階非線性。對于共振非線性， 等主要從以下三個方面來考慮:.YWang(弱受限區(qū)域)，其中 為微粒半徑， 為體相半導體激子玻爾半1BRaRBa徑。在此區(qū)域的非線性類似于體相半導體，其產生機制可能為帶填充模型。三階非線性極化率的大小由電子、空穴的有效質量 和吸收系數(shù) 決定。利ehm、 a用泵浦探測技術，根據(jù)吸收光譜隨光子能量的變化關.系，能夠得到 的值。(2) (中等受限區(qū)域)，在此區(qū)域，由于表血積與體積之比進一步增大，BRa樣品在光照射卜產生的載流子幾在很短的時內 受限于表面缺陷態(tài)，成為受ps陷載流子。這種受陷載流子（電子-空穴對）與激子相互抓作用，漂白了量子點中激子的吸收，導致激子振子強度的損失，從而導致材料非線性效應的增強。(強受限區(qū)域)，在此區(qū)域，量子點的能級可以看一成一系列分立3BRa的能級，類似于分子體系，因此其處理與分子體系類似，非線性吸收行為可用二能級模型來描繪。材料非作線性的起因在于基態(tài)電子吸收的漂白。材料的非線性極化率 和材料的非線性折射率 以及吸收系數(shù) 是反映材2na料光學非線性的重要參數(shù)。非線性極化率是一個復數(shù)，它分為實部和虛部兩部分， 其中實部和虛部分別與介質的折射率和吸收系數(shù)有關，而這兩,個量是材料光學非線性的重要參數(shù)。從數(shù)學上看，兩個彼此有線性關系的物理最，且其比例系數(shù)為復數(shù) ，則其實部和虛部之間存在著0P,EJ如 等一定的聯(lián)系，這首先是由克喇末克朗尼克 推出的，故稱Kramesronig為 關系，又稱為色散關系 。對于半一導體的光學常數(shù)，其一般表達式K18為201rrPd 1.22rr .3其中 分別為復數(shù) 的實部和虛部， 為極化強度。在研究半導,rr rP體的非線性時有兩個重要的內容，一個是色散，即折射率的非線性，另一個是吸收的非線性。而介質的折射率和吸收系數(shù)正好對應于 的實部和虛部。因3此根據(jù) 關系，可以實現(xiàn)二者之間的相互推算，從而為研究半導體材料的K非線性提供了靈活多樣的途徑。1.3.2 半導體納米復合物的非線性光學效應非線性光學材料的種類很多，主要有無機晶體、有機化合物、非線性光學玻璃、金屬和半導體納米材料、有機無機非線性光學復合材料等，最初的非線性光學材料的探求工作是在無機晶體中進行的，到目前為止，己找到許多無機非線性光學晶體，最常用于激光器二次諧波發(fā)生裝置的是磷酸二氫鉀 和KDP砷酸二氫銫 晶體。它們具有好的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性，透明性較好，cDA但非線性光學系數(shù)較低，光損傷閾值較低，特別是在無機材料中再尋找能夠產生大的倍頻效應的優(yōu)質晶體已經很有限。摻半導體微晶玻璃因具有高的非線性極化率及快速響應速度和優(yōu)良的雙穩(wěn)態(tài)性能而受到人們的重視。但采用傳統(tǒng)的固相反應法難以準確控制玻璃組分和半導體微晶組分，材料的性能也有待提高，微觀機理方面也存在許多尚待解決的問題。有機非線性晶體分子種類繁多，分子特性強，聚合物高分子材料更具有優(yōu)良的力學性能和加工性能，可以進行分子結構設計，并且由于具有非線性系數(shù)大、超快響應、光損傷閾值高、頻寬較寬、吸收少等特點而成為研究的熱門，但有機物也具有熔點低、機械性能和熱穩(wěn)定性以及抗潮解性能和透明性都比較差等缺陷。與有機材料相比，半導體納米材料具有性能穩(wěn)定、光損傷閾值高、受溫度影響較小等優(yōu)點并且在紅外及可見光波段有良好的透過性，也有些具有光限幅效應。通常的半導體材料 很小，并沒有明顯的三階非線性效應，而納米量(3)級的半導體材料的 很大，大量研究表明其工作機理主要是由于半導體納米()材料所具有的以下特性：量子尺寸效應：半導體材料從體相逐漸減小到一定的臨界尺寸以后，其載流了(電子、空穴)的運動將受限，相應的電子結構從體相連續(xù)的能帶結構變成準分裂能級，并且由于動能的增加使原來的能隙增大(即光吸收向短波方向移動)，粒徑越小，移動越大，這就是在實驗上觀察到的量子尺寸效應。介電效應：通常情況下納米材料是分散在一種介電常數(shù)較低的基質中，因此在二者之間將產生介電效應，使得粒子的載流子之間的電場部分穿過基質，載流子之間的屏蔽效應減弱，庫侖相互作用增強。理論認為，在強受限條件下，對 大的情況 ( ，分別為納米微粒和基質的介電常數(shù) )，將使電子、空21/21和穴庫侖作用增大，介電效應將起很重要的作用。表面效應：半導體納米粒子分散在介電基質中，表面極化將導致電子一空穴對在粒子表面自陷。介質對粒予的表面極化作用在界面形成一個勢阱，引起載流子在這個勢阱中受限，導致在禁帶中形成能級，從而引起吸收邊的紅移。目前，己有經過表面修飾的半導體納米微粒由于強的表面極化作用導致材料吸收邊紅移的報道。介質的表面極化作用也將對半導體的性質產生重要的影響。除量子尺寸效應、介電限域效應和表面效應這三個重要的因素外，還有其它一些因素，如粒子的形態(tài)、表面缺陷態(tài)等，影響到納米材料的電子結構。由于其電子結構的不同尋常，導致半導體納米材料具有體相半導體材料所不具備的線性和非線性光學性質。其中一個突出的表現(xiàn)就是具有大的非線性折射率和快的光學響應。雖然半導體納米材料在非線性光學方面有一些獨特優(yōu)點，但在材料的制備應用方面仍然存在著困難，如半導體納米顆粒容易聚合、實用化不高等。如果材料的開發(fā)研究工作僅單方面局限于有機或無機材料，則難以克服其存在的缺點，因此，有機、無機復合必將成為非線性光學材料的新趨勢。有機、無機復合的思想是由 等于 年提出的，以后，.BLiner198和 又具體地提出了合成有機、無機復合材料的基本原則，.HSchmidt.Wblter而早在 年， 就已經第一次用溶膠一凝膠方法 合成了應1984schidsolge用于接觸式透鏡的光學有機、無機復合材料。 年， 提出將.DRuirch法應用于非線性光學，這些工作帶動了有機、無機復合非線性光學材sofgel料研究的發(fā)展。對有機 無機復合材料的結構已進行了較多研究，歸納起來，有以下三種/結構類型：有機分子、低分子量的有機聚合物簡單混入無機基質中，有機、無機組1元通過范德華力和氫鍵等弱鍵連接。有機、無機兩組元通過強的共價鍵或離子一共價混合鍵連接，即有機組2元嫁接于無機網絡中。以上兩類結構組合而成的一類復合結構。有機 無機復合材料中的半導3 /體納米顆粒和有機聚合物的復合由于具有一系列