光折变效应及其在干涉仪中的应用

CompanyLogo光折变效应及其在干涉仪中的应用光电子技术CompanyLogo目录21234光电子技术567光折变效应概述光折变效应的物理机制光折变效应的主要特征光折变效应存在的条件光折变效应与强光非线性的关系光折变材料特征参量基于光折变效应的非线性干涉仪CompanyLogo光折变效应概述非线性光学是研究光与物质相互作用的一门学科。3光电子技术•介质中的带电粒子（如电子）在强光电场作用下发生瞬态非简谐振动•引起介质极化强度P随光场E发生非线性变化起因于•入射光场具有与原子内的束缚内电场可以相比较的数量级•非线性光学的深入研究只有在激光出现之后才成为可能。要求•后来人们通常称它为强光非线性光学效应强光非线性CompanyLogo光折变效应概述41966年：贝尔实验室的Ashkin等人在用LiNbO3和LiTaO3晶体进行倍频实验时意外发现了一种特殊的光损伤现象，即由于光辐照区折射率变化破坏了产生倍频的相位匹配条件，从而降低了倍频转换效率。1968年：由于这种光损伤在光辐照停止后仍能保持相当长的时间，Chen等人首先认识到，这种‘光损伤’可以用来进行光信息的实时存储，深入研究了这种效应的物理机制。光电子技术由于这种光损伤可以通过均匀辐照和加热的方法被完全擦洗掉，因而它是一种可逆的损伤，为了与永久性的光损伤相区别，人们改称它为：光折变效应（photorefractiveeffect）。CompanyLogo光折变效应概述5光电子技术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弱光非线性光学无疑为非线性光学开创了更加广泛的研究领域，它不仅可以在方便的时间尺度下观察和研究非线性现象，而且使得实时制作各种非线性光学元器件成为可能。这就是说，对于弱光（如毫瓦，甚至微瓦量级），只要辐照时间足够长，亦可得到足够大的折射率改变，因此人们又称之为弱光非线性光学特征含义意义CompanyLogo光折变效应概述6光电子技术目前，光折变效应的研究方向主要有以下方面：进一步了解光折变效应的微观物理机制研究与光折变效应相关及伴生的非线性光学效应、现象发现、改进和研制高性能的光折变材料和抗光折变材料利用光折变效应研制高性能的实用器件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，因而对于非相干光是理想的时间平均包络相应的非线性材料，利用它研究非相干光的非线性光学效应是首选的理想介质低功率下实时制作光折变光学感应光子晶体（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CompanyLogo光折变效应的物理机制光折变效应是发生在电光材料中的一种电光现象。如图，光折变过程及其物理机制可以概括为以下五个步骤：7光电子技术ehv导带价带施主ND受主NA光折变过程CompanyLogo光折变效应的物理机制8光电子技术++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++非均匀辐照光非均匀辐照光光电离扩散被陷阱俘获空间电荷场折射率光栅I(x)x光强分布n(x)x自由载流子密度p(x)x空间电荷分布++++++------ESC(x)xESC(x)xΔn(x)CompanyLogo光折变效应的物理机制9光电子技术1.电光晶体内的杂质、缺陷和空位作为电荷的施主或者受主，在不均匀的光辐照下，施主杂质被电离之后产生光激发载流子。2.光激发载流子通过浓度扩散或者在外加电场以及光生伏打效应作用下的漂移而运动。3.迁移的载流子又可以被陷阱重新俘获，他们经过激发、迁移、俘获，再激发、再迁移、再俘获……直至到达暗区，被处在深能级的陷阱重新俘获，最终正、负电荷发生空间分离，这种电荷的空间分离与光强的空间分布相对应。4.这些光致分离的空间电荷在晶体内部建立起相对应的空间电场。5.空间电场通过电光效应在晶体内部形成与光强空间分布相对应的折射率的分布。CompanyLogo光折变效应的物理机制在光折变过程中自由载流子的迁移主要有下面三种机制：10光电子技术光生伏打效应漂移扩散CompanyLogo光折变效应的物理机制1.扩散11光电子技术在非均匀光辐照下亮区的自由载流子的浓度最高暗区的自由载流子的浓度最低形成浓度梯度▽n形成扩散电流电流密度为𝐽𝐷=−qD𝛻n=𝑘𝐵𝑇𝜇𝛻nkB为波尔兹曼常数；T为热力学温度，μ为迁移率。q为载流子的电荷；D为扩散系数；▽n为载流子浓度梯度；CompanyLogo光折变效应的物理机制2.漂移12光电子技术外加电场E0空间电荷场ESC载流子在电场作用下发生迁移漂移电流的大小为𝐽𝑑=qμnEμ为自由载流子的迁移率CompanyLogo光折变效应的物理机制3.光生伏打效应•光生伏打效应只存在于铁电晶体中•偏振状态不同的光会在不同的方向引起光生伏打电流13光电子技术入射光的偏振方向沿铁电晶体的c轴方向时（e光）产生反平行于自发的极化方向的光生伏打电流光生伏打电流的大小与吸收系数α和辐照光的光强I的关系一般表达式为𝐽𝑃𝑉=καIκ为Glass常数CompanyLogo光折变效应的主要特征与一般高功率激光场作用下的非线性光学效应相比较，光折变效应具有以下主要特征：14光电子技术•漂移机制和光生伏打机制形成的光折变非线性均属于饱和非线性。•空间非局域性。•非瞬时响应，而且有相当长的暗存储时间。•光折变是可逆过程。•短波长比长波长的光折变灵敏度高。CompanyLogo光折变效应的主要特征1.漂移机制和光生伏打机制形成的光折变非线性均属于饱和非线性：其光折变Δn值依赖于I/Id之比值，其中I为辐照光强，Id为暗辐照。通过附加非相干背景辐照光Ib可以控制Id值，从而有效地改变Δn值。在光生伏打光折变介质中，在光折变未达到饱和前，光折变Δn值近似正比于I/Id与辐照时间t的乘积。这就是说，辐照光强I的大小只会影响到光折变过程进行的速度和Δn的饱和值Δns。对于弱光（μW、mW量级），只要辐照时间足够长，亦可得到一定的Δn值。但是Δn的饱和值Δns是随I/Id之比值的增加而增加的。光折变效应起因于光强的空间调制，而不是绝对光强。因为空间电荷的分离和空间电荷场的建立需要一个累积的过程，所以光强的大小主要影响到自由载流子被光激发的速度和空间电荷场的建立时间。15光电子技术CompanyLogo光折变效应的主要特征2.空间非局域性：如果光生载流子的迁移机制是扩散占优势时，折射率改变的最大值处并不对应光辐照最强处。也就是说，相位栅在光栅波矢方向相对于光强的干涉条纹有一定的空间相位移。这种光栅又称为相移型光栅，它允许两束相互作用光束之间发生稳态的能量转移。由波耦合理论可知，当相位移φ=π/2时，光束间发生最大的能量转移。16光电子技术CompanyLogo光折变效应的主要特征3.非瞬时响应，而且有相当长的暗存储时间：光折变响应时间τ与光电导σph密切相关τ=𝜀𝑒𝑓𝑓𝜀0𝜎𝑝ℎ+𝜎𝑑其中，𝜀𝑒𝑓𝑓为有效介电常数，对于单轴晶体，𝜀11=𝜀22=𝜀⊥，𝜀33=𝜀∥，𝜀0为真空介电常数；𝜀0=8.85×10−12𝐾2N·𝑚2；σph(∝sI)为光电导；s为光激发面；I为辐照光强。σd为暗电导，大部分铁电晶体的暗电导都较低，σd＜10-18(Ω·cm)-1，因此在光辐照下光电导远大于暗电导，即σph＞＞σd，所以τ≈𝜀eff𝜀0𝜎𝑝ℎ∝𝜀𝑒𝑓𝑓𝜀0𝑠I因此光折变响应时间τ近似反比于入射光强I0。I越强，响应时间τ越短。17光电子技术CompanyLogo光折变效应的主要特征3.非瞬时响应，而且有相当长的暗存储时间：暗存储时间𝜏𝑑=𝜀𝜀0𝜎𝑑反比于暗电导σd，因为σd一般很小，暗存储时间一般很长，铁电晶体从十几个小时(KTN)到几个月甚至几年(LiNbO3)。光折变晶体BSO，BGO的暗电导σd约为10-14(Ω·cm)-1，则𝜏𝑑的典型值为10~20h，对于近红外敏感的窄带隙半导体，如InP:Fe，𝜏𝑑的典型值为10-14s。18光电子技术CompanyLogo光折变效应的主要特征3.非瞬时响应，而且有相当长的暗存储时间：响应时间τ描述了光折变相位栅的写入与光擦除时间。写入相位栅时空间电荷场Esc(t)随时间的演化过程为𝐸𝑆𝐶𝑡=m𝐸𝑆𝐶1−𝑒−𝑡/𝜏均匀光擦洗相位栅时𝐸𝑆𝐶𝑡=m𝐸𝑆𝐶𝑒−𝑡/𝜏由此看出，写入体相位栅时，Esc(t)乃至Δn是随时间指数上升的过程，而均匀光擦洗相位栅时，它们是随时间指数下降的过程。其中，m为干涉条纹的调制度。19光电子技术CompanyLogo光折变效应的主要特征4.光折变是可逆过程:在均匀光辐照下或加热光折变晶体便可以擦洗掉Δn。这是因为在光折变过程中积累在辐照区边缘的空间电荷在不存在光辐照时会以暗驰豫时间𝜏𝑑弛豫，最终正负电荷被中和，即空间电荷场消失。所以折射率变化Δn虽能在暗处长期保存但不能永久保存。提高介质温度可以增大暗电导σd，均匀光辐照下是用光电导σph代替暗电导，这两种方法均可缩短空间电荷的暗驰豫时间，将Δn擦洗掉。小光斑中的折射率改变能被大尺寸的光斑有效地擦除。20光电子技术CompanyLogo光折变效应的主要特征5.短波长比长波长的光折变灵敏度高:这是因为波长越短，处于更深能级的光生载流子也能被激发。如果光波的能量高于或接近禁带宽度（如紫外光），价带的电子就可以通过带际跃迁到导带，电子和空穴都将参与光折变过程，它可以引起更强的光折变效应（带际光折变效应），而且它具有许多不同于通常由杂质能级激发光生载流子的光折变效应的新特点。如果使用脉冲激光代替连续光辐照晶体，则可以通过双光子吸收引起带际光折变效应。21光电子技术CompanyLogo光折变效应存在的条件光折变效应存在的条件：光折变效应是在自然界中普遍存在的一种有效地光致折射率改变效应。22光电子技术1凡是电光系数足够大的电光材料均存在光折变效应，并不局限于铁电晶体。2光生载流子可能来源于杂质或缺陷能级，也可能来源于本征能级。3产生光折变效应的辐照光可以是相干光，也可以是非相干光。4引起光折变效应的电场可以是外加电场也可以是内电场。CompanyLogo光折变效应存在的条件1.凡是电光系数足够大的电光材料均存在光折变效应，并不局限于铁电晶体：电光材料：是具有电光效应（包括具有一次电光效应或二次电光效应）的材料，据材料的折射率n随电场E发生变化的材料。一次电光效应只存在于介质不具有对称中心的材料中；二次电光效应则可能存在于任何介质（甚至非晶体，液态的硝基苯，二硫化碳等）之中。因为在电光介质中，n随E的变化很小，因此可以用泰勒级数在E=0附近展开𝑛𝐸=𝑛0+𝑎1𝐸+12𝑎2𝐸2+⋯23光电子技术CompanyLogo光折变效应存在的条件1.凡是电光系数足够大的电光材料均存在光折变效应，并不局限于铁电晶体：𝑛𝐸=𝑛0+𝑎1𝐸+12𝑎2𝐸2+⋯其中，𝑛0为E=0时的折射率；𝑎1=𝑑𝑛𝑑𝐸𝐸=0；𝑎2=𝑑2𝑛𝑑𝐸2𝐸=0。为方便计，用r和g代替𝑎1和𝑎2，则r=−2𝑎1𝑛3，g=−𝑎2𝑛3它们分别为线性（Pockels）和二次（Kerr）电光系数，这样𝑛𝐸=𝑛−12𝑟𝑛3𝐸−12𝑔𝑛3𝐸2+⋯=𝑛+∆𝑛这里𝑛=𝑛0。24光电子技术CompanyLogo光折变效应存在的条件1.凡是电光系数足够大的电光材料均存在光折变效应，并不局限于铁电晶体：如果用相对介质隔离率η=1𝑛2来描述各向异性介质的光学性质，它在电场作用下的改变为∆η=𝑑η𝑑𝑛·∆𝑛将∆𝑛代入上式，得到∆η=−2𝑛3−12𝑟𝑛3𝐸−12𝑔𝑛3𝐸2+⋯=𝑟𝐸+𝑔𝐸2+⋯所以η𝐸=η0+𝑟𝐸+𝑔𝐸2+⋯25光电子技术CompanyLogo光折变效应存在的条件1.凡是电光系数足够大的电光材料均存在光折变效应，并不局限于铁电晶体：η𝐸=