光折变光学表面波及其在二次谐波产生中的应用

摘要

铁电类晶体以其具有较大的电光系数而成为重要的非线性光学材料，并在光折变非线性光学领域得到广泛的研究与应用。铁电材料在体光学非线性效应方面的研究和应用已得到空前的发展和完善。相比之下对于此类物质表面光学非线性效应的研究还很少，而表面光学非线性效应与体光学非线性效应具有显著的不同，这方面的研究将具有重要的意义。 在光折变介质内由于传播光束的自弯曲效应，光波可沿光折变晶体表面形成光折变光学表面波(简称光折变表面波，PRSW)。光折变表面波自弯曲的光束经历了如下的循环过程：入射到晶体的光束在晶体的表面发生全内反射，然后经过偏折回到晶体的表面。通常所说的表面电磁波是指沿两个介质的分界面传播的电磁波，其中的一个介质的介电常数是负数，并且在偏离分界面时，其振幅呈指数地衰减。这种表面电磁波必定是横磁(TM)波。但是，光折变光学表面波与通常的表面电磁波不同。当激光束在光折变晶体中产生的自偏折能被全内反射所平衡，此时能在晶体的表面产生自感应的光折变光学表面波。光折变表面波是一种可沿光折变晶体表面狭层空间传播的光波，光场从表面到体内逐渐衰减。光折变表面波的能量被聚集在晶体表面狭层空间，具有很高的功率密度，因而各种非线性效应得以增强和利用并可以显著地提高光折变器件的运转速度而无需提前制备波导。光折变表面波的研究在表面非线性光学技术、表面探测、集成光学方面有重要影响，利用其原理可以制成表面二次谐波发生器、表面波导等表面光子器件。 按照光折变效应的三种形成机制，光折变表面波分成三类，即基于扩散机制、扩散与漂移机制和扩散与光伏机制的光折变表面波。基于扩散机制的光折变表面波已形成较完善的理论体系，在BaTiO3晶体上观察到了光折变表面波和由表面波激发的二次谐波；基于扩散与漂移机制的光折变表面波理论研究尚未形成统一的框架，实验上虽已有对其实验观测的初步报道，但没有深入研究表面波的形成特性；基于扩散和光生伏打机制的光折变表面波目前仅限于理论研究。 本文针对铁电类晶体的光折变表面波进行了研究。主要的内容及结论有： (1)理论方面，基于带输运模型和标量波方程，我们得到了包含光折变表面波的三种光折变机制下的非线性方程；建立了等效振子模型；定性给出了光折变非线性表面波模式的概念及其与传播常数的关联；系统地研究了三种光折变非线性机制对光折变表面波的综合影响，弄清了光折变非线性中的扩散机制是光折变表面波形成的本质原因，漂移机制和光生伏打效应主要起影响作用，不能直接导致表面波的形成；得到了外加电场、背景光辐照改变光折变表面波的方法和条件。 (2)目前已有的文献中只报道了在BaTiO3晶体上观察到光折变表面波和表面二次谐波。我们在实验上研究了铌酸锶钡(SBN)晶体的表面波现象。对在SBN晶体与空气界面传播的表面波的形成特性、光场分布和随时间的演变等首次进行了系统观测；发现光折变表面波从形成开始到稳定，不是瞬间完成的，光折变表面波的形成需要经历一个产生、增长并达到稳定的过程，形成时间与入射光强度有关。观察到外电场和背景光对表面波的影响，实验结果表明当外电场在一定范围，光折变表面波的强度随着外电场的增大而增加，而背景光照射能减少响应时间并缩短光折变表面波的建立时间。首次在SBN晶体表面实现了扩散机制下的表面二次谐波的产生，转化效率为1％W，还观察到漂移机制下的外加电场能使扩散机制下形成的表面二次谐波增强。此外还为利用近场光学显微镜观察表面波进行了实验设计，并对相关技术如在光纤耦合器内传播的光信号进行了研究。

目录

文摘

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第一章绪论

第二章基础理论

第三章光折变表面波理论

第四章SBN晶体光折变表面波的实验

第五章SBN晶体光折变表面二次谐波的实验

第六章用近场扫描光学显微镜观察表面波模式的实验设计

第七章总结与展望

致谢

参考文献

个人简历 在学期间发表的学术论文与研究成果