11-光折變效應ppt課件

1、光折變非線性光學及其應用,編著：劉思敏 郭 儒 許京軍 主講：張心正 班級：碩士、博士一年級 （物理科學學院、泰達應用物理學院）,成績：平時成績 + 期末,參考書：多功能光電材料：鈮酸鋰晶體,孔勇發(fā) 許京軍 張光寅 劉思敏 陸猗,1,；.,Basic concepts,Maxwell equations,e0, m 0,Right-hand materials,Left-hand materials,e0, m 0,2,；.,3,；.,本課程主要內容,基本理論： 第1章 光折變效應 第2章 波耦合與體相位柵 現(xiàn)象： 第3章 光感應光散射 第8章 光折變材料及其參量測量 第9章 紫外光折變非線性

2、光學效應 應用： 第4章 光折變三維存儲器 第5章 自泵浦與互泵浦相位共軛器 第6章 光折變空間孤子 第7章 飽和非線性介質中的變折射率光學工程,4,；.,(1)線性（一階）極化率，(2)二階極化率,前言 非線性光學,1. 強光非線性光學（P14）,介質中帶電粒子在強光的電場作用下發(fā)生的瞬態(tài)非簡諧振動，從而引起介質的極化強度 P 隨光場 E 發(fā)生非線性變化。,要求：入射光場 原子內的束縛內電場,二次諧波產生、和頻、差頻、雙光子吸收、受激拉曼散射、受激布里淵散射、自感應透明、光學雙穩(wěn)態(tài)、光的壓縮態(tài)等,5,；.,2.光折變非線性光學,電光材料在光輻照下激發(fā)了光生載流子，它們在相應的能帶中或因濃度梯

3、度而擴散，或在外加電場或光生伏打場作用下而漂移，從而由輻照亮區(qū)遷移至輻照暗區(qū)，致使空間電荷分離，形成了與入射光強的空間分布相對應的空間電荷場Esc，Esc又通過電光效應在介質中形成了與入射光強的空間分布相對應的折射率變化的空間分布，這就是光折變效應的全過程。,與強光非線性光學相比較，光折變效應最明顯的特征是它起因于入射光強的空間調制，而不是絕對的入射光強。 因此有時人們又稱之為弱光非線性光學。,光折變效應：電光材料在光輻照下，由光強的空間分布引起折射率相應變化的非線性光學現(xiàn)象。,6,；.,第一章 光折變效應,定義:光折變效應（photorefractive effect）是光致折射率改變 （l

4、ight-induced refractive index changeeffect）的簡稱。,研究歷史:,1965 貝爾實驗室Ashkin等倍頻時發(fā)現(xiàn)LN中“光損傷”現(xiàn)象 1968 Chen等人利用該現(xiàn)象進行光信息存儲 1969 Chen等人提出漂移機制 1972 Amodei等人提出擴散遷移機制 1974 Glass等人提出光生伏打效應機制,1.1 概述,7,；.,第一章 光折變效應,研究歷史:,1980 南開大學與西南技術物理所合作,生長抗光折變鈮酸鋰 晶體,被稱為“中國之星” 1991 Mok等人在LN中存入了 5000幅全息圖 1996 普林斯頓首次從實驗和理論上證明了部分非相干光的

5、 亮、 暗孤子的存在 1998 光折變光子晶格的研究，反常折射、反常衍射、離散衍射 2000 Soljacic等人對非相干光調制不穩(wěn)定性（MI）的研究 Segav實驗上實現(xiàn)了光的橫向安德森局域化 Buse等人在LN中發(fā)現(xiàn)了電子密度的超慢shock wave,光折變空間孤子、光存儲、非相干光的非線性,8,；.,1980 張光寅等人與西南技術物理所合作,生長抗光折變 鈮酸鋰晶體,被稱為“中國之星” 1990 許京軍 自泵浦相位共軛器 1991 劉思敏、張國權等光折變空間孤子 1997 陳曉軍生長出近化學計量比鈮酸鋰晶體， 氧化鉀助溶劑法 1998 孫騫、張心正、許京軍等光折變體全息存儲 2000

6、許京軍、喬海軍紫外光折變效應 2001 姚江宏、陳云琳PPLN的研究 2002 陳志剛、樓慈波等光子晶格的研究,南開大學對光折變效應及鈮酸鋰的研究:,9,；.,2002孔勇發(fā)等人同成分大尺寸（3英寸）鈮酸鋰晶體 2004 張國權等利用運動折射率光柵實現(xiàn)光速減慢 2007 孔勇發(fā)摻鋯Zr、V、Yb鈮酸鋰晶體(高價摻雜) 快響應紫外光折變 2007 樓慈波在脊背型光子晶格中觀察到帶隙孤子串 2009 張心正等利用表面空間電荷場制備了表面金屬光柵 2010 張心正等在鈮酸鋰微晶懸濁液中實現(xiàn)了相干 背散射的光調控 2010 孔勇發(fā)發(fā)現(xiàn)四價摻雜鈮酸鋰具有優(yōu)良的抗光損傷特性 2011 張國權低溫紫外吸收邊

7、的研究,南開大學對光折變效應及鈮酸鋰的研究:,10,；.,應用:,研究方向:,（1）進一步深入了解光折變效應的微觀物理機制； （2）研究與光折變效應相關及伴生的非線性光學效應、現(xiàn)象及電光過程； （3）發(fā)現(xiàn)、改進和研制高性能的光折變材料和抗光折變材料； （4）利用光折變效應研制高性能的實用器件； （5）由于光折變材料的非瞬時響應性質，而且其響應時間可以通過入射光強來調節(jié)，因而可利用它研究非相干光的非線性光學效應。 （6）在低功率下實時制作光折變光學感應光子晶格（波導陣列），研究在非線性周期系統(tǒng)中的自局域態(tài)和衍射控制。,三維光折變體全息存儲器、自泵浦相位共軛器、窄帶濾波器和定向耦合器、光象放大器和

8、振蕩器，由光折變孤子寫入并存儲波導，空間光調制器以及在光學信息處理、光計算及神經網絡技術方面的各種實用器件。,11,；.,摻雜元素對鈮酸鋰光折變性質的影響:,（1）可變價態(tài)的鐵（Fe）、銅（Cu）、錳（Mn）等過渡族元素雜質后，會增強晶體的光折變性能，提高其光折變靈敏度； （2）單一價態(tài)和滿殼層的元素鎂（Mg）、鋅（Zn）、銦（In）等會使材料光折變靈敏度大大降低（在可見光光譜區(qū)范圍內）,常見的光折變材料： * 鐵電氧化物 LiNbO3、LiTaO3 BaTiO3、KNbO3、SrxBa1-xNb2O6(SBN)等 * 立方硅鉍族氧化物 Bi12SiO20(BSO)、Bi12GeO20(BGO

9、)、Bi12TiO20(BTO)等 * 半導體材料 GaAs、InP、CdTe等 * 電光陶瓷 PLZT * 有機聚合物 PMMA/DMPA,12,；.,1.2 光折變效應的物理機制,光折變模型,（1）電光晶體內的雜質、缺陷和空位作為電荷的施主或受主。在不均勻光輻照下，施主雜質被電離產生光激發(fā)載流子； （2）光激發(fā)載流子（在導帶中的電子或價帶中的空穴）通過濃度擴散或在外加電場或光生伏打效應作用下的漂移而運動； （3）在輻照區(qū)的遷移電荷可以被陷阱重新俘獲，它們經過激發(fā)、遷移、俘獲，再激發(fā)、直至到達暗區(qū)被處于深能級的受主重新俘獲。形成了正、負電荷的空間分離，這種空間電荷的分離與光強的空間分布相對應

10、；,光折變過程,光折變過程及物理機制:,13,；.,光折變模型,（4）這些光致分離的空間電荷在晶體內建立了相應的空間電荷場；空間電荷場又通過電光效應在晶體內形成了與光強的空間分布相對應的折射率變化。如果晶體不存在反演對稱性（對稱中心），則空間電荷場通過線性電光效應（泡克爾效應）引起折射率的變化；如果晶體存在對稱中心，則空間電荷場會通過平方電光效應（克爾效應）引起折射率的變化。,光折變過程,光折變過程及物理機制:,14,；.,光折變過程中自由載流子的遷移機制: 擴散、漂移和光生伏打機制,*擴散機制（Amodei）： 在非均勻光強輻照下，亮區(qū)自由載流子濃度最高，暗區(qū)自由載流子濃度最低，在濃度梯度作用下形成了擴散電流，其電流密度為,*漂移機制（Chen）：載