诱导掺铟铁铌酸锂晶体光折变折射率调制度的研究(02.doc

近红外光诱导铌酸锂晶体光折变现象的研究
摘要：利用毫瓦级的近红外光辐照掺铟铁铌酸锂晶体，在晶体中发生了光折变效应，通过单马赫-曾德干涉仪的条纹摆动幅度测得了掺铟铁铌酸锂晶体的变化量△n可以达到10-4数量级，并对实验数据进行了数值模拟，得到了折射率变化图；在理论上，从Kukhtarev方程组出发，对近红外光的折射率变化量进行了数值模拟。可以发现，实验和理论得到了很好的符合。
1、引言
在非线性光学中，铌酸锂晶体是目前公认的优质材料之一，由于其具有较高的光折变灵敏度、较长的暗存储时间和较宽的光谱响应范围，所以它在光存储、光学信息处理及集成光学器件等领域有着广泛的应用前景。在以往的光折变研究中，辐照光的波长范围主要集中在可见光波段，其光折变形成机制已做了许多探讨,有了一定的研究成果。然而，当光波的波长在光通信波长数量级时，光子的能量不能够充分的激发电子，所以认为其很难诱导铌酸锂晶体的光折变效应。但在最近的一些文献中报道，已经成功的应用1.5μm和1.3μm波长的强脉冲激光在KNbO3和SBN晶体中诱导了光折变效应。2008年，已经有相关的文献报道了近红外光的光折变效应，证明了光生伏打效应是引起光折变效应的主要原因，但是对于光折变效应产生后，折射率变化量的实验和理论研究至今仍未见报道[3]。本文是在近红外光辐照In:Fe:LiNbO3晶体诱导了晶体的光折变效应的条件下，通过马赫-曾德干涉仪切片法观察和测量了其折射率的变化量，并对此现象进行了初步的理论解释，而且实验和理论得到了很好的符合。
2、实验过程与结果
实验中采用的是In:Fe:LiNbO3晶体，其掺In浓度为2mol%,掺Fe浓度为0.03wt%，晶体厚度为4.65mm。辐照光源采用的是由YAG红外光激光器产生的波长为1.06μm的近红外激光，高斯光强分布如图2所示。红外光辐照在晶体的xy表面上,并沿z方向传播,晶体c轴水平且平行x轴。读出光采用氦氖激光器产生的波长为0.633μm的红激光,实验光路如图1所示。

图1辐照与读出In:Fe:LiNbO3晶体折射率变化的实验装置
图1中下半部分为晶体折射率变化的辐照光路，辐照光由透镜L1汇聚后辐照在晶体的xy表面，再由成像透镜L2将晶体被辐照部位的图像成像在CCD上，通过计算机实时观察晶体的变化。图中上半部分为晶体折射率变化的读出光路。氦氖激光器发出的红激光经过快门S，通过平面反射镜M到达滤波、扩束和准直系统T，由分束棱镜BS将激光束反射到晶体上，再由成像透镜L2将晶体上待测部位的图像成像在CCD上。图3为辐照光束透过晶体后，晶体的后表面光强分布的投影图随时间变化情况如图3所示。

(a)2D(b)3D
图2波长为1.06μm近红外弱光光强高斯分布图

(a)t=0min(b)t=10min(c)t=15min

(d)t=40min(e)t=45min(f)t=50min
图3辐照光束透射晶体后随时间变化的实时投影图
从图3中的投影图可以观察到透过晶体的辐照光束随辐照时间慢慢发生分裂，达到15分钟左右时几乎完全分裂成两部分。随着辐照时间的增加分裂现象更加明显，当辐照时间达到40分钟后，分裂现象不再明显，说明此时晶体光折变已经达到饱和。
在辐照过程中，利用图1上半部分的读出光路可以实时读出晶体折射率变化情况。辐照晶体40分钟时，读出的实验结果如图4所示。

(a)0min读出(b)40min读出二维图(c)40min读出三维图
图4光辐照晶体40min后读出的折射率变化分布图
图4(a)表示晶体刚放入辐照光路时，晶体折射率尚未发生变化时的读出图片，图4(b)和(c)为辐照晶体40分钟时，晶体后表面的二维和三维读出图像。图4(b)和(c)中可以看到，辐照区域中央折射率大幅度下降，而在最低值左右沿c轴方向有折射率明显升高的区域。
用马赫-曾德干涉仪光路由切片干涉法对光辐照区域晶体的折射率分布进行测量[文献10]。将晶体放在马赫-曾德干涉测量系统中，通过CCD可以读出晶体后表面的全息干涉图，如图5所示。

(a)辐照前(b)辐照后(40min)
图5光辐照前后观测系统接收到的全息干涉条纹图样
由图5可知光辐照区域晶体的折射率发生了变化，在光辐照区域的中央条纹向左发生了摆动，而在光辐照区域左侧和右侧，条纹都向右发生了摆动。根据切片干涉法原理[10],可以得到晶体的折射率变化量的大小为，其中L为晶体样品的厚度、s(r)为条纹的变化量、λ为马赫-曾德干涉光路中记录光波长、D为干涉条纹间距和。图6是根据实验数据测量得到的折射率变化量的分布图。折射率升高的变化量约为1.4×10-4，折射率降低的变化量约为2.9×10-4，降低的幅度大约是升高的幅度的2倍。
(a)二维(b)三维
图6晶体辐照后折射率变化的二维及三维图
结果表明该方法是方便可