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1、 2012 年 春 季学期研究生课程考核（读书报告、研究报告）考 核 科 目：光波耦合理论学生所在院（系）：理学院物理系 学生所在学科：光学 姓 名： 张兴儒学 号：11S011024学 生 类 别：统招/研究生光折变效应的机理及带输运模型光折变效应是光致折射率变化的效应, 即某些光电材料在光辐射下, 折射率随光强的空间分布而变化。在光折变过程中, 存在着两种激发载流子。一种是光致激发中产生的光生载流子; 另一种是热致激发产生的热生载流子。光折变效应的强弱随入射总光强呈现出截止, 增长到饱和的变化特征, 其实质就是这两种激发竞争的结果。我们可将光折变的具体过程概括如下: 光电晶体内的杂质, 空
2、位或缺陷充当电荷的施主或受主。当晶体受到光照时, 光激发电荷进入邻近的能带。光激发电荷在能带中或因浓度梯度而扩散, 或在电场作用下漂移, 或由光生伏打效应而运动。迁移中的电荷可以被重新俘获, 经过再激发, 再迁移, 最后离别了光照区而定居于暗光区。这样就形成了与光强空间分布相对应的空间电荷场。若晶体不存在反演对称性, 空间电荷场将通过线性光电效应在晶体内形成折射率在空间的调制变化, 即在晶体内写入体相位栅。并且, 光束在写入体相位栅的同时, 又受到自写入相位栅的衍射作用进行读出。因此光束的读写过程在光折变晶体内是同时进行的。这样记录的相位栅是一种动态光栅, 实时全息光栅。这种动态相位栅对写入光
3、束的自衍射, 将引起光波的振幅、位相、偏振甚至频率的变化。从这个意义上讲, 动态光栅的自衍射为相干光的处理提供了可能性。由此可见, 用空间非均匀分布的光束来照射光折变晶体是产生光折变的先决条件。然而, 在光折变晶体中, 存在着另一种激发过程 热激发。这种激发产生的热生载流子在空间是均匀分布的。这与光激发载流子是明显不同的。因光生载流子的分布是空间调制的。如果入射光强很弱, 由于热激发的存在, 晶体内的总载流子仍然是空间均匀分布的。从而不能形成折射率光栅。这时写入光束之间便难以发生静态能量的转移。这正是截止的情况。如果光强增加到使光生载流子的数目与热生载流子的数目可以比拟时, 总的载流子便可呈现
4、出一定的空间调制分布。形成折射率光栅。光折变效应就可以发生, 随着光强的继续增加, 热激发载流子的影响逐渐减小, 能量转移效率不断提高。这便是线性段的情况。当光强增加到使光生载流子的数目远大于热生载流子的数目时, 热激发的影响可忽略。此时即便增大光强, 只要写入光的空间调制度不变, 能量转移率便不会随光强的增加而增加。这正好是饱和段的情况。可见, 热激发的存在是导致静态能量转移效率随光强而变化的主要原因。随着光强的继续增加, 光折变过程进入饱和段, 此时载流子的复合便从线性复合进入到二次非线性复合, 使得平均光激发载流子的数目大大增加, 极大地降低了载流子的空间调制度。导致了静态能量转移率的下
5、降。故在强光时, 载流子的非线性复合是导致静态能量转移效率随光强而变化的主要原因。光折变晶体是众多晶体中最奇妙的一种晶体。当外界微弱的激光照到这种晶体上时, 晶体中的载流子被激发, 在晶体中迁移并重新被捕获, 使得晶体内部产生空间电荷场, 然后, 通过电光效应,空间电荷场改变晶体中折射率的空间分布, 形成折射率光栅,从而产生光析变效应。光折变效应的特点是, 在弱光作用下就可表现出明显的效应。例如,在自泵浦相位共轭实验中,一束毫瓦级的激光与光折变晶体作用就可以产生相 位共轭波, 使畸变得无法辨认的图像清晰如初。由于折射率光栅在空间上是非局域的, 它在波矢方向相对于干涉条纹有一定的空间相移, 因而
6、能使光束之间实现能量转换。如两波耦合实验中, 当一束弱信号光和一束强光在光折变晶体中相互作用时, 弱信号光可以增强 1 000 倍。此外, 凭借着光折变效应, 光折变晶体还具有以下特殊的性能: 可以在 3cm3 的体积中存储 5 000 幅不同的图像, 并可以迅速显示其中任意一幅; 可以精密地探测出小得只有 10 - 7 米的距离改变; 可以滤去静止不变的图像 , 专门跟踪刚发生的图像改变; 甚至还可以模拟人脑的联想思维能力。因此, 这种晶体一经发现,便引起了人们的极大兴趣。 目前, 有应用价值的光折变晶体有钛酸钡(BaTiO3) 、铌酸钾( KNbO3) 、铌酸锂(LiNbO3)、铌酸锶钡
7、(Sr1 - xBaxNb2O6) 系列、硅酸铋 (Bi12SiO20) 等晶体。其中,掺铈钛酸钡(Ce :BaTiO3) 是由中国科学院物理研究所于 90 年代在国际上首次研制成功的。它的优异性能, 使光折变晶体在理论研究和实用化方面取得突破性进展。当前, 光折变晶体已发展成一种新颖的功能晶体, 在光的图像和信息处理、相位共轭、全息存储、光通讯和光计算机神经网络等方面展示着良好的应用前景。图 1.光折变过程二、带输运模型目前, 处理光折变效应的理想模型有: 带输运模型 , 双光子模型和三电荷模型等。但常用的是带输运模型。带输运模型认为晶体内的施主(受主) 心在光照下被电离并释放出电子(空穴)
8、。如果光强是调制的, 电子和电离施主(受主) 在导带内可自由运动。由于浓度梯度的存在将会引起扩散运动。因外加电场导致漂移及光生伏打效应形成光生伏打电流, 由于上述的载流子迁移运动, 最后在暗区被陷阱所俘获, 形成空间电荷分布, 这些空间分布的电荷又产生出空间调制的空间电荷场。如图 2 所示。基于这种观点, KuRntarer 等人定量地给出了一组描述光折变过程的基本方程。并称为带输运模型。这些方程包括:自由电子连续性方程:不动电离施主心变化率方程电流方程泊松方程:光波方程:折射率方程:式中, 为电子在导带中密度、 为晶体内施主数密度、 为电离施主(受主) DNDN数密度、 为光强, 为电流密度
9、、 为复合常数、 为光激发常数、 是热激IJRS发几率、 为扩散系数、 为迁移率、 为电场包括外加电场和空间电荷场、DE为光生伏打电流密度、 为晶体的电介常数、 是晶体的折射率、 为有phJC0nefr效光电系数、 为光场振幅, 以上方程为光折变效应的基本方程, 又称 KuR-optEntarer 方程组。在方程 (2)中, 是在光强 I 照射下电子从施主心被激发至导带的产生率、 为俘获率。(2) 式表明不动的电离施主随时间接变化率为主电子产生率和俘获率之差。(3)式由三部分组成,其中: 为扩散电流密度,是光激发产生的载流子,是由于浓度的不均而形成的。 为迁移电流密度、 为电场,包括外电场 和空间电荷场分布形成的局部电场,它满足高E0E斯定理(4)式。光波方程是描述光在光折变晶体内传播的波动方程。由以上方程可求解光折变晶体内的空间电荷场的强度, 及随时间的演化过程, 并能较好地说明光折变效应的特性。图 2.光电子的激发和复合过程
