掺杂LiNbO3光折变晶体光学放大和图像存储实验与研究.pdf

掺杂 LiNbO3 光折变晶体光学放大
和图像存储实验与研究

( 理学院物理系应用物理专业邵耀鹏)
(学号:1999145220)

内容提要:光折变效应作为一类特殊的非线性光学效应,在光信息存储和光信号处理过
程中具有广泛的应用前景。因此,寻找合适的光折变材料是近 20 年来,一直为人们所重视
的研究课题。
LiNbO3 晶体是迄今为止人们研究最多、最广泛的光折变晶体,作者对大量实验样品
LiNbO3 晶体的实验特性进行相同条件下的研究,发现了一些新的实验现象和规律,对评价
和寻找合适的光折变材料等方面具有重要意义。
关键字:光折变效应,LiNbO3 晶体,二波耦合,掺杂,图像串扰
教师点评:LiNbO3 晶体是迄今为止人们研究最多最广泛的光折变晶体。掺杂 LiNbO3
光折变晶体光学放大和图像存储的理论与实验一直是人们关注的热点,本论文就是对掺杂
LiNbO3 光折变晶体光学放大和图像存储的实验特性做了深入研究,得出结论具有重要的实
用价值,该学生在论文完成过程中不仅利用了所学的物理知识,而且学习了数值计算,所阅
读参考文献均为近年来国内外重要物理杂志发表的文献,提高了英文文献阅读能力。论文思
路清晰,结论明确,达到了较高的本科生论文水准。如能够进一步探讨不同入射波长下的
特征,并根据物理特征对结果做分析说明,论文水平会再上一个台阶。(点评教师:高艳霞
职称:副教授)
第一章:绪论
1966 年,Bell 实验室的科学家们利用 LiNbO3 晶体进行高功率激光倍频实验,发现一束
强激光透过晶体时,初始时刻光束可以不受任何干扰地透过晶体,数分钟后,晶体开始使透
射的光束产生畸变,出现散射光。于是他们把这种现象作为一种“光损伤”现象提出来[1]。
这种“光损伤”对光的频率转换是一种不利因素,利用一束均匀光照射晶体或者转动晶
体的方法,可以消除这种“光损伤”。不久,Chen 等人[2]发现晶体的这种光损伤可以记录高
质量的全息图象。由于这一特性在光存储等领域中的潜在应用价值,使晶体的“光损伤”现
象作为光折变效应进入了广泛深入的理论和实验研究阶段。[3]
光折变效应是发生在电光和光电导或光生伏特材料中的一种复杂光电过程。这一过程可
概括如下: [4] 电光晶体内的杂质、空位或缺陷充当光激发电荷的施主或受主。当晶体在光
辐照下,激发电荷进入邻近的能带。光激发载流子在带中或因浓度梯度扩散,或在电场作用
下漂移,或由光生伏打效应而产生迁移运动,即产生光电导过程。电荷迁移运动的结果,造
成了正负电荷的分离,迁移中的光生载流子又可以重新被离子等陷阱中心俘获,还可以吸收
光子进行再激发。经过一系列的激发-迁移-俘获-再激发过程,光生载流子最终离开光照
区,定居于暗光区,达到激发-俘获的动态平衡,晶体内就形成与光强空间分布相对应的空
间有位移的电荷分布。空间电荷分布必然产生相应的空间电荷场,并通过电光效应导致折射
率的变化,折射率的调制度实际上就标定了晶体光折变效应的强弱。
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基于以上观点,1979 年 Kukhtarev 等人提出了带输运模型,定量地给出了一组描述光
折变过程的基本动力学方程[5],较全面地分析了光折变效应的微观过程,很好地解释了许
多光折变现象。1980 年 Feinberg 等人提出的电荷跳跃模型[6],以更直观的方法来描述光折
变效应产生的过程,这一模型有一定的局限性,但也能很好地解释了稳态光折变效应。
光折变二波耦合
[7]
1972 年 Staeber 等人在 LiNbO3 晶体中发现了光折变光波耦合现象。实验时,用两束
光记录全息光栅后,发现折射率相位栅和两束光的干涉花样存在π/2 的空间相移,一束光
的能量会向另一束光转移;并发现这种能量的转移方向是与载流子电荷的正负符号以及两光
束与光轴的取向有关,这种现象现在被称作为二波耦合(TWM) 。二波耦合是光折变晶体最
基本最重要的一种非线性波耦合作用,也是光折变效应研究的基本现象[8]。后来的带输运模
型的建立为光折变晶体的二波耦合作用及四波混频(FWM) 作用提供了理论基础。1984 年,
-Golomb 等人较系统地给出了光折变晶体中的四波混频理论,描述了自泵浦相位共
轭(SPPC) 器件产生相位共轭光的基本机制。在此期间, 对二波耦合进行了理论研究,
讨论了非线性介质特别是光折变材料中的二波耦合作用,成为较完整的二波耦合理论体系
[9]。
90 年代初,邵宗书、岳学峰、牟晓东等人对光折变晶体的前向二波耦合(透射光栅)和相
向二波耦合(反射光栅)进行了广泛细致的理论和实验