单晶硅非线性光学性质的研究论文

2012 届 本 科 毕 业 论 文题目：单晶硅非线性光学性质的研究学 院 ：物理与电子工程学院 专 业 班 级 ：物理 08-7 班 学 生 姓 名 ：默默 指 导 教 师 ： 教 授 答 辩 日 期 ：2012 年 5 月 日 单晶硅非线性光学性质的研究摘要：文章采用 技术、单光束扫描法, 从非线性折射率、非线性吸收Zscan系数、非线性极化率等角度,对单晶硅以及多孔硅非线性光学性质进行深入的研究，以便为新材料的深入研究提供一些有价值的参考。其各章主要内容如下：首先，介绍非线性光学现象、研究的目的和意义，以及半导体及其纳米复合物的非线性光学效应和研究进展。其次，阐述单晶硅的特性、 技术，并就 技术的角度对单晶ZscanZscan硅非线性光学参数，即非线性折射率、非线性吸收系数、非线性极化率等进行测量。最后，介绍多孔硅非线性光学，从实验的角度认识多孔硅结构与发光机理的非线性，应用单光束扫描法对三阶非线性光学性质进行实验分析。关键词：单晶硅；非线性光学；多孔硅；Z-scan技术；单光束扫描法The study of nonlinear optical propertiesof Monocrystalline siliconABSTRACT：This paper adopts Z-scan technology, single beam scanning method, from the angle of nonlinear refractive index, nonlinear absorption coefficient, nonlinear polarizability,etc, further research have been studying for the nonlinear optical properties of Monocrystalline silicon and Porous silicon, so that it can provide some valuable reference for the further research of new materials. Its main content chapters are as follows:First of all, introduce the nonlinear optical phenomena, the purpose of the research and meaning, and, the nonlinear optical effect and research development of the semiconductor and its nano complex.Secondly, this paper expounds the characteristics of Monocrystalline silicon, Z-scan technology, and the measurement of the Nonlinear optical parameters of Monocrystalline silicon through the Z-scan technology, such as the measurement of nonlinear refractive index, nonlinear absorption coefficient, nonlinear polarizability, etc.Finally, this paper introduces the nonlinear optical of porous silicon, from the point of view of experiment know the porous silicon structure and the nonlinear of emitting mechanism, and the paper analysises the Three order nonlinear optical properties of Porous silicon through the experiment of Single beam scanning method.Key words: monocrystalline silicon；nonlinear optics；porous silicon；Z-scan technology；single beam scanning method目 录第一章 非线性光学 .1.1 非线性光学现象 .1.2 非线性光学性质研究的目的和意义 .1.3 半导体及其纳米复合物的光学非线性 .1.3.1 半导体材料的光学非线性 .1.3.2 半导体纳米复合物的非线性光学效应 .第二章 单晶硅非线性光学 .2.1 单晶硅的特性 .2.2 Z 扫描技术的原理 .2.3 Z 扫描技术的理论计算 .2.3.1 非线性折射率 .2.3.2 非线性吸收系数 .2.3.3 三阶非线性极化率 .2.4 测量单晶硅的非线性光学参数 .2.4.1 高斯光束 扫描技术（典型透射 技术） .ZZscan2.4.2 双色光 Z 扫描技术 .Tsc2.4.3 双光束时间分辨率 扫描技术 .Rsc2.4.4 遮挡 .scanEs2.4.5 反射 .ZR第三章 多孔硅非线性光学 .3.1 多孔硅 .3.2 多孔硅结构与发光机理的非线性光学研究 .3.3 多孔硅 1064nm 波长处三阶非线性光学性质 .参考文献 .致 谢 .第一章 非线性光学1.1 非线性光学现象物质在强光如激光束的照射下，其光学性质发生了变化，而这种变化又反过来影响了光束的性质，研究这种光与物质的相互作用就是非线性光学的内容。激光问世之前，人们对光学的认识主要限于线性光学，光束在传播过程中频率不会改变，介质的主要光学参数，都与入射光的强度无关。激光问世以后，在激光这一强光作用下，光学参数会发生变化，非线性光学效应来源于分子与材料的非线性极化，这种在激光作用下发生的异于线性光学范畴的现象属于非线性光学现象。非线性光学研究的内容可概括为两个方面：一方面是非线性光学现象与效应的发现及它们产生的机理和规律性的研究、非线性光学新技术的发展和新材料的发现；另一方面是把非线性光学效应和技术应用到相关领域，如：倍频技术在激光核聚变中的应用，光学相位共轭技术在改善激光束质量中的应用，自适应光学技术、集成光学、光学信息存储与实现全息显示技术等。我们知道当较弱的光电场作用于介质时，介质的极化强度 P 与光电场 E 成线性关系：0PE其中 为真空介电常数 为介质的线性极化系数。 0在强光作用下，光电场所感应的电极化强度与入射光电场强度的关系为：P( ,t)= E+ + + (11)0(1)0(2)0(3)E其中 为真空中的介电常数， 为介质的线性极化率，通常情况下 为01 (1)复数张量。由张量定义可知，只有那些非中心对称的分子和晶体，才能显示出二阶非线性光学效应，而中心对称的分子和晶体，则显示出三阶非线性光学效应。在线性光学范畴内，配合电磁波在介质中的波动方程，可以解释为介质中存在的吸收，折射和色散等效应。相应的与二阶非线性极化张量 有关的效(2)应为二阶非线性效应，与三阶非线性极化张量 有关的效应为三阶非线性效(3)应等等，还有更高阶得非线性效应，我们主要就三阶非线性效应进行研究。总的三阶电极化率可表示为：( )= (12)3)iPe0(3)123123,)()(ijklejkiE其中 为三个不同的入射光场，三阶非线性123,ej iE光学特性涉及三束入射光场，可产生许多不同的三阶非线性光学过程，其中包括三次谐波 ，Raman和Brillouin散射(3),),以及三波和四波混频 过程。(3)121, (3),)非线性光学材料的应用非常广泛，如光开关，光存储，光通讯等，有望在光信息领域得到应用的三阶非线性光学材料必须具备下列性能：(1)具有较高的三阶非线性极化率系数 。当材料的三阶非线性极化率系(3)数 达到并超过 esu时，适用于光学信息的并行处理：但对于光学信息的(3)910串行处理，则需要材料具有更高的三阶非线性极化率系数 。(3)(2)具有较快的时间响应。当材料的光学非线性响应小于皮秒甚至达到飞秒量级时，才能充分体现全光信息处理高速度的优良特点。(3)具有较好的物理、化学和光化学稳定性，良好的物理机械性能，较高的光学损伤阈值，这是材料应用的重要前提之一。(4)有较低的光学损耗。较低的光学损耗是光学器件得到应用的重要要求。(5)成本低廉，加工性能优良。光信息处理器件要求具有性能优良且价格低廉的薄膜或线材，要求材料具有优良的加工性能。1.2 非线性光学性质研究的目的和意义具有快的非线性响应、大的非线性光学系数、好的环境稳定性、可加工性和高品质的理化性能一直是非线性光学材料研究的重点，并在无机、有机等领域都取得了较大的进展，研究、开发出了许多具有代表性的非线性光学材料，人们对半导体纳米材料的研究开辟了人类认识世界的新层次，也开辟了材料科学研究的新领域。总的看来，半导体纳米材料的光学性能研究已经取得了很大进展，人们己建立起了半导体纳米微粒中电子能态的理论模型，在材料的线性光学和非线性光学性能方面都开展了大量的工作，获得了很多有重要意义的成果。但是还有许多问题需要进一步深入研究。然而，由于半导体材料本身存在响应速度慢，线性和非线性吸收产生的热效应影响性能，尤其是半导体纳米颗粒的稳定性等缺点，导致其在有些方面的应用受到一定限制。而有机、无机复合材料则可以综合两者的优点，成为目前非线性光学材料研制工作中势在必行的趋势，具有很广阔的前景。作为这类材料的代表，半导体纳米复合材料最近引起了越来越多的人们的注意，但这类新材料的研究时间还较短，还有许多问题需要进一步深入研究，如这类新材料的制备技术不多，不够完善，半导体纳米颗粒和有机聚合物间的作用形式作用机理还要不断完善，非线性光学的增强机制还需要进一步的探讨。本文试图通过研究该种纳米聚合物的线性和非线性，为完善该类材料的非线性提供有价值的实验和理论上的参考，通过研究部分半导体纳米复合物的非线性，为寻找大的非线性光学材料提供方向。本论文主要研究了不同半导体纳米颗粒浓度，不同退火温度，不同微结构等对材料的线性和非线性光学性质的影响，研究了量子尺寸效应、表面效应、不同实验条件等对材料的非线性光学性质的影响，发现其非线性现象和规律，并探究其原理和机制，加速该类材料的实用化进程。1.3 半导体及其纳米复合物的光学非线性1.3.1 半导体材料的光学非线性对于半导体激光器、发光二极管等半导体光子器件，人们要求它们要有很好的输入输出线性。但在一定的条件下，许多半导休材料却表现出很强的非线性效应。要想在半导体中得到非线性效应，除了半导体材料本身应具有较大的非线性极化率 外，还必须对其施以足够的场强。实验表明，在有些23、半导体中，当入射光子能量与半导体材料禁带宽度相近 时，可以通hgE即过共振效应在半导体中激发起很强的高阶非线性效应。在具有反演中心的对称晶体结构中(例如具有金刚石结构的 和 、具有GeSi岩盐结构的 等，它们都是中心对称的)当电场 的符号反向,要求极化强度PbTe的符号改变，只能是 因而不存在二阶非线性。但是不论在中心对称还20是在非中心对称的半导体中，都存在三阶非线性效应。物质的三阶非线性效应与其结构对称性无关。也就是说，按照品体的对称性质，半导体材料都能表现出三阶非线性光学效应。与其它材料相比，半导体材料的非线性极化不仅与其晶格振动有关，而且受到来自于非抛物线能带结构中(例如重掺杂情况)自由电子和空穴的影响，以及载流子遭受散射的影响。一般来说在半导体中可能产生非线性效应的波长范围，在短波长段是与半导体的带隙相联系的，而在长波长段则与品格振动产生的光学声子的强反射有关。半导体材料的三阶光学非线性一般可分为以下四种主要类型:1.本征非线性本征非线性是指完全由于光的吸收而引起材料的光学非线性，在半导体中当吸收一个光子后，由价带到导带形成自由载流子或激子，其浓度的大小决定了半导体的光学性质。2.光电混合非线性一般是指加电场后的非线性，涉及的机制和效应主要有效应, 效应及自电光效应。FranzKeldyshStark3 热致非线性指非线性光学元件的高阀值带来的热效应使半导体升温，禁带宽变窄，吸收边红移，吸收系数的改变引起折射率的变化。4.掺半导体玻璃非线性是一种新的结构，其非线性机制有许多地方与半导体材料相似，如自由载流子等离子体非线性、带填充等。另外，按照入射光的波段，大多数的研究者都认为半导体材料三阶非线性可以分为共振非线性和非共振非线性。非共振非线性是指用低于材料的光吸收边的光照射样品后导致的非线性效应。其非线性主要涉及局域场效应和电子结构的非谐性，电子结构的非谐性来自电子云的扭曲，因而非线性效应小，但这个过程相当快。由此可见，非共振非线性的特点是非线性效应小，光响应时间快，光损失小，属于一种被动非线性过程。 等从局域场的角度出发认为:半.YWang导休微晶通常分散在一个低折射率介质中，因而当光通过时，半导体微晶内部的电场将被增强，从而导致非线性效应的增强。323NFQ 1式中 二为局域场增强因子。NFQ共振非线性是指用高于吸收边的光去照射样品，当入射光子弛豫到共振能级后，能量和两个能级电子态能量差值相接近或重合时而导致的非线性响应，由于共振加强，这将引起电子结构较大的非谐性，该非谐性源于电子在不同能级的分布。共振非线性的特点是非线性效应较大、响应时间变慢、由光吸收造成了光损失。它属于一种主动非线性过程。对非线性光学的研究，其重点是利用共振增强来得到大的非线性效应。我们在后面的实验，都利用高于吸收边的激光束来激发材料，从而通过共振增强来获得高的三阶非线性。对于共振非线性， 等主要从以下三个方面来考虑:.YWang(弱受限区域)，其中 为微粒半径， 为体相半导体激子玻尔半1BRaRBa径。在此区域的非线性类似于体相半导体，其产生机制可能为带填充模型。三阶非线性极化率的大小由电子、空穴的有效质量 和吸收系数 决定。利ehm、 a用泵浦探测技术，根据吸收光谱随光子能量的变化关.系，能够得到 的值。(2) (中等受限区域)，在此区域，由于表血积与体积之比进一步增大，BRa样品在光照射卜产生的载流子几在很短的时内 受限于表面缺陷态，成为受ps陷载流子。这种受陷载流子（电子-空穴对）与激子相互抓作用，漂白了量子点中激子的吸收，导致激子振子强度的损失，从而导致材料非线性效应的增强。(强受限区域)，在此区域，量子点的能级可以看一成一系列分立3BRa的能级，类似于分子体系，因此其处理与分子体系类似，非线性吸收行为可用二能级模型来描绘。材料非作线性的起因在于基态电子吸收的漂白。材料的非线性极化率 和材料的非线性折射率 以及吸收系数 是反映材2na料光学非线性的重要参数。非线性极化率是一个复数，它分为实部和虚部两部分， 其中实部和虚部分别与介质的折射率和吸收系数有关，而这两,个量是材料光学非线性的重要参数。从数学上看，两个彼此有线性关系的物理最，且其比例系数为复数 ，则其实部和虚部之间存在着0P,EJ如 等一定的联系，这首先是由克喇末克朗尼克 推出的，故称Kramesronig为 关系，又称为色散关系 。对于半一导体的光学常数，其一般表达式K18为201rrPd 1.22rr .3其中 分别为复数 的实部和虚部， 为极化强度。在研究半导,rr rP体的非线性时有两个重要的内容，一个是色散，即折射率的非线性，另一个是吸收的非线性。而介质的折射率和吸收系数正好对应于 的实部和虚部。因3此根据 关系，可以实现二者之间的相互推算，从而为研究半导体材料的K非线性提供了灵活多样的途径。1.3.2 半导体纳米复合物的非线性光学效应非线性光学材料的种类很多，主要有无机晶体、有机化合物、非线性光学玻璃、金属和半导体纳米材料、有机无机非线性光学复合材料等，最初的非线性光学材料的探求工作是在无机晶体中进行的，到目前为止，己找到许多无机非线性光学晶体，最常用于激光器二次谐波发生装置的是磷酸二氢钾 和KDP砷酸二氢铯 晶体。它们具有好的热稳定性和化学稳定性，透明性较好，cDA但非线性光学系数较低，光损伤阈值较低，特别是在无机材料中再寻找能够产生大的倍频效应的优质晶体已经很有限。掺半导体微晶玻璃因具有高的非线性极化率及快速响应速度和优良的双稳态性能而受到人们的重视。但采用传统的固相反应法难以准确控制玻璃组分和半导体微晶组分，材料的性能也有待提高，微观机理方面也存在许多尚待解决的问题。有机非线性晶体分子种类繁多，分子特性强，聚合物高分子材料更具有优良的力学性能和加工性能，可以进行分子结构设计，并且由于具有非线性系数大、超快响应、光损伤阈值高、频宽较宽、吸收少等特点而成为研究的热门，但有机物也具有熔点低、机械性能和热稳定性以及抗潮解性能和透明性都比较差等缺陷。与有机材料相比，半导体纳米材料具有性能稳定、光损伤阈值高、受温度影响较小等优点并且在红外及可见光波段有良好的透过性，也有些具有光限幅效应。通常的半导体材料 很小，并没有明显的三阶非线性效应，而纳米量(3)级的半导体材料的 很大，大量研究表明其工作机理主要是由于半导体纳米()材料所具有的以下特性：量子尺寸效应：半导体材料从体相逐渐减小到一定的临界尺寸以后，其载流了(电子、空穴)的运动将受限，相应的电子结构从体相连续的能带结构变成准分裂能级，并且由于动能的增加使原来的能隙增大(即光吸收向短波方向移动)，粒径越小，移动越大，这就是在实验上观察到的量子尺寸效应。介电效应：通常情况下纳米材料是分散在一种介电常数较低的基质中，因此在二者之间将产生介电效应，使得粒子的载流子之间的电场部分穿过基质，载流子之间的屏蔽效应减弱，库仑相互作用增强。理论认为，在强受限条件下，对 大的情况( ，分别为纳米微粒和基质的介电常数)，将使电子、空21/21和穴库仑作用增大，介电效应将起很重要的作用。表面效应：半导体纳米粒子分散在介电基质中，表面极化将导致电子一空穴对在粒子表面自陷。介质对粒予的表面极化作用在界面形成一个势阱，引起载流子在这个势阱中受限，导致在禁带中形成能级，从而引起吸收边的红移。目前，己有经过表面修饰的半导体纳米微粒由于强的表面极化作用导致材料吸收边红移的报道。介质的表面极化作用也将对半导体的性质产生重要的影响。除量子尺寸效应、介电限域效应和表面效应这三个重要的因素外，还有其它一些因素，如粒子的形态、表面缺陷态等，影响到纳米材料的电子结构。由于其电子结构的不同寻常，导致半导体纳米材料具有体相半导体材料所不具备的线性和非线性光学性质。其中一个突出的表现就是具有大的非线性折射率和快的光学响应。虽然半导体纳米材料在非线性光学方面有一些独特优点，但在材料的制备应用方面仍然存在着困难，如半导体纳米颗粒容易聚合、实用化不高等。如果材料的开发研究工作仅单方面局限于有机或无机材料，则难以克服其存在的缺点，因此，有机、无机复合必将成为非线性光学材料的新趋势。有机、无机复合的思想是由 等于 年提出的，以后，.BLiner198和 又具体地提出了合成有机、无机复合材料的基本原则，.HSchmidt.Wblter而早在 年， 就已经第一次用溶胶一凝胶方法 合成了应1984schidsolge用于接触式透镜的光学有机、无机复合材料。 年， 提出将.DRuirch法应用于非线性光学，这些工作带动了有机、无机复合非线性光学材sofgel料研究的发展。对有机 无机复合材料的结构已进行了较多研究，归纳起来，有以下三种/结构类型：有机分子、低分子量的有机聚合物简单混入无机基质中，有机、无机组1元通过范德华力和氢键等弱键连接。有机、无机两组元通过强的共价键或离子一共价混合键连接，即有机组2元嫁接于无机网络中。以上两类结构组合而成的一类复合结构。有机 无机复合材料中的半导3 /体纳米颗粒和有机聚合物的复