光折變光學(xué)表面波及其在二次諧波產(chǎn)生中的應(yīng)用.pdf

1、鐵電類晶體以其具有較大的電光系數(shù)而成為重要的非線性光學(xué)材料，并在光折變非線性光學(xué)領(lǐng)域得到廣泛的研究與應(yīng)用。鐵電材料在體光學(xué)非線性效應(yīng)方面的研究和應(yīng)用已得到空前的發(fā)展和完善。相比之下對(duì)于此類物質(zhì)表面光學(xué)非線性效應(yīng)的研究還很少，而表面光學(xué)非線性效應(yīng)與體光學(xué)非線性效應(yīng)具有顯著的不同，這方面的研究將具有重要的意義。 在光折變介質(zhì)內(nèi)由于傳播光束的自彎曲效應(yīng)，光波可沿光折變晶體表面形成光折變光學(xué)表面波(簡(jiǎn)稱光折變表面波，PRSW)。光折變表

2、面波自彎曲的光束經(jīng)歷了如下的循環(huán)過(guò)程：入射到晶體的光束在晶體的表面發(fā)生全內(nèi)反射，然后經(jīng)過(guò)偏折回到晶體的表面。通常所說(shuō)的表面電磁波是指沿兩個(gè)介質(zhì)的分界面?zhèn)鞑サ碾姶挪?，其中的一個(gè)介質(zhì)的介電常數(shù)是負(fù)數(shù)，并且在偏離分界面時(shí)，其振幅呈指數(shù)地衰減。這種表面電磁波必定是橫磁(TM)波。但是，光折變光學(xué)表面波與通常的表面電磁波不同。當(dāng)激光束在光折變晶體中產(chǎn)生的自偏折能被全內(nèi)反射所平衡，此時(shí)能在晶體的表面產(chǎn)生自感應(yīng)的光折變光學(xué)表面波。光折變表面波是一種可

3、沿光折變晶體表面狹層空間傳播的光波，光場(chǎng)從表面到體內(nèi)逐漸衰減。光折變表面波的能量被聚集在晶體表面狹層空間，具有很高的功率密度，因而各種非線性效應(yīng)得以增強(qiáng)和利用并可以顯著地提高光折變器件的運(yùn)轉(zhuǎn)速度而無(wú)需提前制備波導(dǎo)。光折變表面波的研究在表面非線性光學(xué)技術(shù)、表面探測(cè)、集成光學(xué)方面有重要影響，利用其原理可以制成表面二次諧波發(fā)生器、表面波導(dǎo)等表面光子器件。 按照光折變效應(yīng)的三種形成機(jī)制，光折變表面波分成三類，即基于擴(kuò)散機(jī)制、擴(kuò)散與漂移機(jī)

4、制和擴(kuò)散與光伏機(jī)制的光折變表面波?；跀U(kuò)散機(jī)制的光折變表面波已形成較完善的理論體系，在BaTiO3晶體上觀察到了光折變表面波和由表面波激發(fā)的二次諧波；基于擴(kuò)散與漂移機(jī)制的光折變表面波理論研究尚未形成統(tǒng)一的框架，實(shí)驗(yàn)上雖已有對(duì)其實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的初步報(bào)道，但沒(méi)有深入研究表面波的形成特性；基于擴(kuò)散和光生伏打機(jī)制的光折變表面波目前僅限于理論研究。 本文針對(duì)鐵電類晶體的光折變表面波進(jìn)行了研究。主要的內(nèi)容及結(jié)論有： (1)理論方面，基于帶

5、輸運(yùn)模型和標(biāo)量波方程，我們得到了包含光折變表面波的三種光折變機(jī)制下的非線性方程；建立了等效振子模型；定性給出了光折變非線性表面波模式的概念及其與傳播常數(shù)的關(guān)聯(lián)；系統(tǒng)地研究了三種光折變非線性機(jī)制對(duì)光折變表面波的綜合影響，弄清了光折變非線性中的擴(kuò)散機(jī)制是光折變表面波形成的本質(zhì)原因，漂移機(jī)制和光生伏打效應(yīng)主要起影響作用，不能直接導(dǎo)致表面波的形成；得到了外加電場(chǎng)、背景光輻照改變光折變表面波的方法和條件。 (2)目前已有的文獻(xiàn)中只報(bào)道了在

6、BaTiO3晶體上觀察到光折變表面波和表面二次諧波。我們?cè)趯?shí)驗(yàn)上研究了鈮酸鍶鋇(SBN)晶體的表面波現(xiàn)象。對(duì)在SBN晶體與空氣界面?zhèn)鞑サ谋砻娌ǖ男纬商匦?、光?chǎng)分布和隨時(shí)間的演變等首次進(jìn)行了系統(tǒng)觀測(cè)；發(fā)現(xiàn)光折變表面波從形成開(kāi)始到穩(wěn)定，不是瞬間完成的，光折變表面波的形成需要經(jīng)歷一個(gè)產(chǎn)生、增長(zhǎng)并達(dá)到穩(wěn)定的過(guò)程，形成時(shí)間與入射光強(qiáng)度有關(guān)。觀察到外電場(chǎng)和背景光對(duì)表面波的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)外電場(chǎng)在一定范圍，光折變表面波的強(qiáng)度隨著外電場(chǎng)的增大而增加