（测试计量技术及仪器专业论文）基于michelson干涉仪及数字图像处理的csbn晶体光学性质研究.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出重要 贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本 人承担。 论文作者签名：匆五危乱日期： 知i o 歹1 0 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件和电 子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印、或其他复 制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：翅埴氢导师签名：盔垫日期： 山东大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第一章绪论。l 1 1 课题研究的目的与意义l 1 2 折射率测量方法的发展2 1 2 1 最小偏向角法2 1 2 24 5 。棱镜法。3 1 2 3 折射率测量新技术介绍4 1 3 晶体光折变非线性介绍5 1 4 铌酸锶钙钡( c s b n ) 晶体6 1 5 本论文的主要工作。7 第二章m i c h e l s o n 干涉仪等厚干涉法测量透明介质折射率9 弓i 言9 2 1m i c h e l s o n 干涉仪结构及应用简介。9 2 2 改进的等厚干涉法测量透明介质折射率1 3 2 2 1 实验原理13 2 2 2 实验平台及控制软件介绍。1 4 2 3 实验平台稳定性测试l8 2 4 玻璃折射率测量2 2 2 5 本章小节2 3 第三章c s b n 5 0 晶体的双折射率2 4 引言2 4 3 1 晶体双折射现象及基本概念2 4 3 2c s b n 5 0 晶体的双折射率测量与折射率椭球2 5 3 2 1c s b n 5 0 双折射率测量实验2 5 3 2 2c s b n 5 0 的折射率椭球2 7 3 3 基于图像处理的补偿法研究2 8 3 4 本章小结31 山东大学硕士学位论文 第四章c s b n 5 0 晶体的光折变非线性研究3 2 引言3 2 4 。1 光折变效应3 2 4 2c s b n 5 0 晶体的光折变测量3 4 4 3 外电场下c s b n 5 0 晶体的光折变测量3 8 4 3 1 实验光路3 8 4 3 2 实验结果。4 0 山东大学硕+ 学位论文 t a b l eo fc o n t e n t s a b s t r a c ti nc h i n e s e i a b s t r a c t i i i c h a p t e r1p r o l e g o m e n o n 1 1 。1r e s e a r c hb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c e o 1 1 2d e v e l o p m e n to f r e f r a c t i v ei n d e xm e a s u r e m e n tm e t h o d s 2 1 2 1m i n i m u md e v i a t i o na n g l em e t h o d 2 1 2 2 4 5 。p r i s mm e t h o d 3 1 2 3i n t r o d u c t i o no fn e wt e c h n o l o g yf o rr e f r a c t i v ei n d e xm e a s u r e m e n t 4 1 3i n t r o d u c t i o no fc r y s t a l s p h o t o r e f r a c t i v ee f f e c t 5 1 4c a l c i u ms t r o n t i u mb a r i u mn i o b a t ec r y s t a l ( c s b n ) 6 1 5m a i nw o r k so f t h i sp a p e r 7 c h a p t e r2 m i c h e l s o ni n t e r f e r o m e t e re q u a lt h i c k n e s sm e t h o df o rt r a n s p a r e n tm a t e r i a l s r e f r a c t i v ei n d e xm e a s u r e m e n t 9 i n t r o d u c t i o n 9 2 1s t r u c t u r ea n da p p l i c a t i o no fm i c h e l s o ni n t e r f e r o m e t e r 9 2 2i m p r o v e de q u a lt h i c k n e s sm e t h o d 13 2 2 1e x p e r i m e n t a lp r i n c i p l e 1 3 2 2 2e x p e r i m e n t a lp l a t f o r ma n ds o f t w a r es y s t e m 1 4 2 3s t a b i l i t yt e s to f p l a t f o r m 18 2 4g l a s sr e f r a c t i v ei n d e xm e a s u r e m e n t 2 2 2 5s u m m a r i z e 2 3 c h a p t e r3c s b n 5 0 sb i r e f r i n g e n c e 2 4 i n t r o d u c t i o n 2 4 3 1b i r e f r i n g e n c ep h e n o m e n o no fc r y s t a l 2 4 3 2c s b n 5 0 sb i r e f r i n g e n c em e a s u r e m e n ta n dr e f r a c t i v ei n d e xe l l i p s o i d 2 5 3 2 1e x p e r i m e n to fc s b n 5 0 sb i r e f r i n g e n c em e a s u r e m e n t 2 5 3 2 2c s b n 5 0 sr e f r a c t i v ei n d e xe l l i p s o i d 2 7 3 3i n v e s t i g a t i o no f c o m p e n s a t i o nm e t h o db a s e do nd i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g 2 8 3 4s u m m a r i z e 3 1 l t i 山东大学硕士学位论文 一 c h 印t e r4r e s e a r c ho nc s b n 5 0 sp h o t o r e f r a c t i v ee f f e c t 3 2 i r l 仃0 d u c t i o n 3 2 4 1p h o t o r e f - r a c t i v ee f l e e t 3 2 4 2c s b n 5 0 ，sp h o t o r e f r a c t i v ee f f e c t 3 4 4 3c s b n 5 0 ，sp h o t o r e f r a c t i v ee f f e c tu n d e re x t e r n a le l e c t r i cf i e l d 3 8 4 3 1e x p e r i m e n t a la r r a n g e m e n t 3 8 4 3 2e x p e r i m e n t a lc o n c l u s i o n 4 0 4 3 3t h e o r e t i c a le x p l a n a t i o n 4 3 4 4s u m m a r i z e 4 4 c h a p t e r5c o n c l u s i o n 4 5 5 1m a i nw o r k so f t h i sp a p e r 一4 5 5 2i n n o v a t i o n 4 5 5 3f i i t l l r ew o r l ( s 4 5 r e f e r e n c e 4 7 a c k n o w l e d g e m e n t s 5 0 i v 山东大学硕士学位论文 摘要 铌酸锶钙钡晶体( 分子式( c a 0 2 8 b o ”2 ) ，( 矾6 0 肋。4 0 ) h 6 2 瓯，简写为c s b n ) 是由山东大学晶体材料国家重点实验室新近生长的一种具有钨青铜结构的优良 光折变材料。c s b n 晶体属于四方晶系，空间群为p 4 b m ；具有非中心对称，类 e a s b n 结构。根据c s b n 晶体通式中下标x 的不同取值，可分为三种型号c s b n 2 5 ( x = 0 2 5 ) ，c s b n 5 0 ( x = 0 5 0 ) 和c s b n 7 5 ( x = 0 7 5 ) 。 本文的主要工作是基于m i c h e l s o n 干涉仪及数字图像处理的方法对c s b n 5 0 晶体的部分光学性质进行了研究。其中包括对该晶体折射率及光致折射率变化行 为的研究。具体工作包括以下几个方面： 1 利用m i c h e l s o n 干涉仪器、步进电机旋转台、c c d 相机等搭建了实验平台， 对实验平台稳定性进行了测试并测量t c s b n 5 0 晶体的双折射率。折射率是晶体的 重要光学参数，也是衡量晶体物理特性最基本的内容之一。测量晶体折射率的方 法很多，但是折射率测量的范围和精度一般都因为方法本身所要求的条件而受到 不同程度的限制。干涉法精度高且没有破坏性，近年来成为研究热点。本论文在 m i c h e l s o n 干涉仪的基础上添加整合了步进电机旋转台及c c d 摄像机等组成了一 套测量透明介质折射率的实验装置。在此实验装置的基础上，提出并研究了基于 m i c h e l s o n 干涉仪等厚干涉及数字图像处理的透明介质折射率测量方法，并分别 测量了c s b n 5 0 晶体的主折射率，得到了其双折射率。 2 利用图像处理的方法研究了m i c h e l s o n 干涉仪补偿法。推导了折射率，z 与 条纹周期数 r ( 整数) 的关系式，通过此关系式可以对折射率的测量值进行对比 与修正。 3 改进了实验平台，研究了基于图像处理的c s b n 5 0 晶体的光折变行为。光 折变非线性光学是非线性光学研究领域的一个重要分支。本论文在上述实验平台 的基础上进行了改进，添加了外电场，利用c c d 拍摄的干涉图灰度对比的方法研 究了 c s b n 5 0 晶体在外电场及无外电场、偏振光写入及读出下的光致折射率变化行 为。通过对观察到的现象进行分析得到了有关c s b n 5 0 晶体光折变性质的如下结 论：( 1 ) 在激光波长为6 3 2 8 n m 、功率1 5 m w 的情况下，c s b n 5 0 晶体在无外加电场 山东大学硕士学位论文 下经过8 0 分钟的激光辐照其光致折射率变化不明显，而在晶体光轴方向施加外电 场的情况下( 电压从o v 增加到1 2 0 0 v ，作用距离l = 4 9 8 m m ) 可以观察到明显的光折 变现象，折射率变化量级为1 0 - 4 。( 2 ) 在c s b n 5 0 晶体光轴方向施加外电场的情 况下晶体光折变效应具有如下特点：( a ) 所加外电场越大，折射率变化越大；( b ) 在0 偏振下与e 偏振下，折射率随电场变化的方向相同；( c ) 施加反向电场折射率 变化方向改变，并与正向电场下变化幅度大体对称；( d ) e 光折射率变化比0 光折 射率变化要明显。 关键词：c s b n 晶体；数字图像处理；折射率 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t c a l c i u md o p e ds t r o n t i u mb a r i u mn i o b a t ec r y s t a l sg r o w nb yt h ei n s t i t u t eo f c r y s t a lm a t e r i a l so fs h a n d o n gu n i v e r s i t yo f c h i n a ，w h i c hm o l e c u l a rf o r m u l ai s ( c 口o j 2 8 b a ”2 ) ，( 砜j b o b a o 加) l 一，n b 2 仇a n d s h o r tf o rc s b n ，a r ef e r r o e l e c t r i ca n d p h o t o e l e c t r i cc r y s t a l sh a v i n gt h e s t r u c t u r eo ff e r r o e l e c t r i c t e t r a g o n a lt u n g s t e n b r o n z e - t y p e t h ee l e m e n t a r y4 5a t o m sc e l lo fc s b nh a st e t r a g o n a ls y s t e m 、加t ht h e s p a c eg r o u pp 4 b m a c c o r d i n g t od i f f e r e n txv a l u e si nt h em o l e c u l a rf o r m u l ao fc s b n ， c s b nc r y s t a l sc a nb ed i v i d e di n t ot h r e et y p e s ，c s b n 2 5 ( x = 0 2 5 ) ，c s b n 5 0 ( x = 0 5 ) a n dc s b n 7 5 ( x = 0 7 5 ) p a r to fo p t i c a lp r o p e r t i e so fc s b n 5 0c r y s t a l ，i n c l u d i n gr e f r a c t i v ei n d e xa n d p h o t o r e f r a c t i v ee f f e c t ，u s i n gm i c h e l s o ni n t e r f e r o m e t e ra n dd i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g m e t h o d s ，a r em a i n l yp e r f o r m e di nt h i sp a p e r t h ed e t a i lc o n t e n t sa r el i s t e da s f o l l o w i n g ： 1 ) u s i n gm i c h e l s o ni n t e r f e r o m e t e r , s t e p p e rm o t o rr o t a r yt a b l e ，c c dc a m e r a , a n e x p e r i m e n t a lp l a t f o r mw h i c hm a i n l yu s e d f o rr e f r a c t i v ei n d e xm e a s u r e m e n to f t r a n s p a r e n tm a t e r i a l sw a sb u i l t t h es t a b i l i t y o ft h i sp l a t f o r mw a st e s t e da n d c s b n 5 0 sb i r e f r i n g e n c ew a sm e a s u r e d r e f r a c t i v ei n d e xi sa l li m p o r t a n to p t i c a l p a r a m e t e ro fc r y s t a l s i ti sa l s o ab a s i ci t e mo fe v a l u a t i o no fc r y s t a l s p l a y s i c a l p r o p e r t i e s t h e r ea r em a n ym e t h o d st om e a s u r ec r y s t a l s r e f r a c t i v ei n d e x h o w e v e r , t h e r a n g ea n da c c u r a c yo ft h e s em e t h o d s a r er e s t r i c t e db yt h e i rc o r r e s p o n d i n g r e q u i r e m e n t s i n t e r f e r o m e t r yw i t l lh i g hp r e c i s i o na n dn od e s t r u c t i v ei sa t t r a c t i n gm o r e a n dm o r ei n t e r e s ti nr e c e n ty e a r s i nt h i sp a p e r , s t e p p e rm o t o rr o t a r yt a b l ea n dc c d c a m e r aa r e i n t e g r a t e di n t o m i c h e l s o ni n t e r f e r o m e t e r s y s t e m a n dc o m p o s ea n e x p e r i m e n t a lp l a t f o r mo fm e a s u r i n gr e f r a c t i v ei n d e xo ft r a n s p a r e n tm a t e r i a l s b a s e d o nt h i sp l a t f o r m ，t h i sp a p e rp r e s e n t sam e t h o do fm e a s u r i n gc s b n sr e f r a c t i v ei n d e x 2 ) an e wm i c h e l s o ni n t e r f e r o m e t e rc o m p e n s a t i o nm e t h o dw a si n v e s t i g a t e dt o m o d i f yr e f r a c t i v ei n d e xu s i n gd i g i t a li m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g y 3 ) i m p r o v e de x p e r i m e n t a lp l a t f o r mt oi n v e s t i g a t ep h o t o r e f r a c t i v ee f f e c t o f c s b n 5 0c r y s t a lb a s e do nd i g i t a li m a g ep r o c e s s i n gm e t h o d p h o t o r e f r a c t i v ee f f e c ti s t h ep h e n o m e n o nt h a tt h ec r y s t a l s r e f r a c t i v ei n d e xc h a n g e sw i t hi m p o s e do p t i c a l f r e q u e n c ye l e c t r i cf i e l d i nr e c e n ty e a s ，i n v e s t i g a t i o no fc r y s t a l s p h o t o r e f r a c t i v ee f f e c t 山东大学硕士学位论文 g e t si n c r e a s i n gi n t e r e s t t h i sp a p e rs t u d i e st h eb e h a v i o ro fr e f r a c t i v ei n d e xc h a n g e s w i t hp o l a r i z e dl i g h tw r i t t e n i na n dr e a d o u tw h i l ee x t e r n a le l e c t r i cf i e l di si m p o s e do r n o ti m p o s e d t h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n sw e r eo b t a i n e d ：( 1 ) u n d e rl a s e ri r r a d i a t i o n ( w a v e l e n g t h6 3 2 8 n ma n dp o w e r1 5 m w ) ，c s b n 5 0 sp h o t o r e f r a c t i v ee f f e c td o e sn o t c h a n g es i g n i f i c a n t l yi n8 0m i n u t e sw i t h o u te x t e r n a le l e c t r i cf i e l d ( 2 ) u n d e r e x t e r n a l e l e c t r i cf i e l da l o n go p t i c a la x i s ，c s b n 5 0 sp h o t o r e f r a c t i v ee f f e c ti ss i g n i f i c a n tw i t h f o l l o w i n gc h a r a c t e r i s t i c s ( a ) t h eb i g g e rt h ee x t e m a le l e c t r i cf i e l di s ，t h eg r e a t e rt h e r e f r a c t i v ei n d e xc h a n g e s ( b ) r e f r a c t i v ei n d e xc h a n g ed i r e c t i o n so fe - p o l a r i z a t i o na n d o - p o l a r i z a t i o na r et h es a m e ( c ) el i g h tr e f r a c t i v ei n d e xi sm o r es i g n i f i c a n tt h a nol i g h t r e f r a c t i v ei n d e x ( d ) r e v e r s i n gt h e d i r e c t i o no fe x t e r n a le l e c t r i cf i e l dc s b n 5 0 s r e f r a c t i v ei n d e xc h a n g e si nt h eo p p o s i t ed i r e c t i o n k e yw o r d s ：c s b nc r y s t a l s ；d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g ；r e f r a c t i v ei n d e x 山东大学硕十学位论文 1 1 课题研究的目的与意义 第一章绪论 折射率是晶体的重要光学参数，也是衡量晶体物理特性最基本的内容之一， 其精确测量值对器件设计至关重要，对于同一晶体，不同波长对应不同的折射率。 几十年来，国内外许多光学测试者致力于实现高精度，全自动地测量折射率的目 标，使折射率的测量由偏折角的光电瞄准代替了目视瞄准 1 ，由手动测量走向 自动测量 2 ，3 。测量晶体折射率的方法很多 4 ，5 ，但由于折射率测量的范围和 精度一般都因为方法本身所要求的条件而受到不同程度的限制。如最小偏向角法 6 ，它必须将晶体磨成一定形状的棱镜，通过测出光线射出棱镜后的最小偏向 角来计算晶体的折射率，这种测试方法对加工的精度要求高，难度大，且对于一 些较珍贵的晶体来说，所花费的代价太高；折光率计法，油浸法，和国内生产的 阿贝折射仪也只能测试1 3 - 1 9 范围内的折射率。对于高折射浸没溶体法测试晶 体的折射率，虽说能测试i 9 - 2 5 范围内的折射率，但也由于高折射溶体的配置 较为困难，且配置成的溶体会使晶体的透明度降低，色散增大，测试精度也随之 变差 7 。v 型棱镜( 9 0 。) 法所需要的晶体样品尺寸小，但其折射率的测量范围仅 到1 9 左右。己有文献介绍了一种测量晶体折射率的有效方法旋转干涉法 8 - 1 0 ，获得了较为满意的实验结果。旋转干涉法精度高且没有破坏性，近年来 成为研究热点，但一些技术手段限制了其发展，如条纹计数和角度的控制测量技 术等。因此改进装置和方法，实现折射率的高精度自动化实时测量是十分必要的。 数字图像处理技术应用于精密测量领域形成了一种新的测量技术图像 测量技术。图像测量技术是近年来在测量领域发展起来的新型测量技术，是一种 以图像为信息载体并从中提取有用信号的测量方法，具有高分辨率、高速度、动 态范围大、信息量丰富和自动化等诸多优点，目前已广泛应用于各种工业测量中。 本论文的研究目的之一是对普通加工的透明介质进行折射率测量，借取 m i c h e l s o n 干涉仪的高精密度和高精度的电控旋转台并使用图像处理的方法高精 度地测量出其折射率。此方法不仅降低了对原材料造成的浪费，同时操作简单且 测量精度较高。开发的配套数据采集和处理软件可实现高效快速的自动化实时检 1 山东大学硕七学位论文 测。该装置的研制可为透明材料的研究工作者提供一种高精度、无损、自动化实 时测量折射率的理想工具。本论文的另外一个目的是研究光折变材料的光致折射 率变化规律。借助于数字图像处理技术对晶体在m i c h e l s o n 干涉仪上形成的等厚 干涉条纹进行处理，得到不同时刻或不同外电场下干涉图的相移，进而计算得到 不同时刻或不同外电场下晶体的折射率变化。此方法光路简洁，操作简单且测量 精度高，因此是对光折变材料光折变行为研究的一个非常好的方法。 1 2 折射率测量方法的发展 测量折射率的方法多种多样，本小节选取历史上以及当前新技术中的几种典 型的测量方法进行简单介绍。 1 2 1 最小偏向角法 最小偏向角法是通过测量单色平行光线经过三棱镜后的最小偏向角来计算 三棱镜材料的折射率。 b d 图1 】三棱镜最小偏向角法测折射率 f 如图1 - 1 所示，顶角为a ，折射率为聆的三棱镜置于空气中，入射线d m ，在 第一界面a b 的m 。处折射，第一入射角为，第一折射角为；折射线m 。m ：在 第二界面a c 的m 2 处折射，第二入射角为f 2 ，第二折射角为艺。m 2 f 为出射线。 定义三棱镜的出射线与入射线的夹角6 为三棱镜的偏向角，那么由图1 1 可知 艿= ( i i - i l ) + ( i 2 - i 2 ) 因为 + f 2 = a( 1 2 1 ) 2 山东大学硕十学位论文 于是 6 = + f ：- - a ( 1 2 2 ) 由于折射定律的制约，i 2 系的函数；对于某三棱镜而言，a 为定值，固( 1 2 2 ) 式表明，三棱镜的偏向角随第一入射角变化而变化。进一步的分析和实验表明： 当f l 变化时，三棱镜的偏向角6 有一个最小值，称为最小偏向角，记作6 曲；此 时，入射线与出射线对三棱镜取对称分布，三棱镜内的光线平行于其底边。因为 f 2 = 0 由( 1 2 1 ) 式有 = a 2 ； 又因为艺= ，则由( 1 2 ，2 ) 式得 i l = ( 口+ 艿m i n ) 2 ， 在m 。点应用折射定律， s m i i2 n s i n z l 综合上述三式，可以得到三棱镜最小偏向角公式： s i n 竺鱼堂 9 刀= 三r _ 一 a s l n 一 2 通过测量6 曲，利用上式可以计算出三棱镜材料的折射率。 该法的优点为：精度高，不需己知折射率的标准块，折射率的测量范围不受 限制；其缺点是：需要大口径的棱镜，制备被测棱镜既费时又费光学材料，测量 时测角仪的调整较复杂，测量最小偏向角的手续繁多，因而测量工作相当繁重。 1 2 2 4 5 。棱镜法 4 5 。棱镜法测量晶体折射率的原理图如图1 2 所示：一束平行光垂直通过晶体 的b d 面，并以4 5 。角入射到晶体与标准玻璃的界面a d 上，当晶体的折射率大于 3 山东大学硕士学位论文 ab 人 、一二， 一 妇 、 乙u 图1 2 ：4 5 。棱镜法测折射率示意图 标准玻璃的折射率0 时，光束在标准玻璃中的折射角为4 5 。+ 6 。，当晶体的折射 率小于标准玻璃的折射率。时，光束的折射角为4 5 。一4 。在标准玻璃与空气界 面a c 上，光束以6 。为入射角从标准玻璃中入射到a c 上，并以折射角6 ：射出标准 玻璃。根据折射定律，当刀大于。时，在a d 界面上有： n s i n 4 5 。= n os i n ( 4 5 。+ 6 1 ) ( 1 2 4 ) 在a c 界面上有： os i n g l = s i n 3 2( 1 2 5 ) 利用三角关系，( 1 2 4 ) 式可以化为： n s i n 4 5 。= n os i n 4 5 。c o s 3 l + n oc o s 4 5 。s i n s l ( 1 2 6 ) ( 1 2 5 ) 式带入( 1 2 6 ) 式，整理后得到： 刀= 4 n ；一s i n 26 2 + s i n 9 2 ( 1 2 7 ) 当疗小于。时，同理可得到： 刀- , n ；一s i n 26 2 一s i n 9 2 ( 1 2 8 ) 由上两式可知已知标准玻璃的折射率“，测量出6 ：就可以计算出晶体折射率。 此方法优点是测量精度比较高，折射率测量范围可到2 3 左右。缺点是对样品制 作工艺和测试过程技术要求很高，不适于课题研究使用。 1 2 3 折射率测量新技术介绍 近年来，光纤传感、光谱分析、c c d 沏u 量以及计算机技术迅速发展，许多新 的折射率测量方法和测量仪器也随之产生。例如，通过分析晶体的会聚偏光干涉 4 山东大学硕士学位论文 图来计算晶体的双折射率 1 1 ，1 2 】；d f h e l l e r 等人提出的一种测量材料双折射率的 非干涉方法莫尔条纹偏转技术【1 3 】；自动干涉技术测量材料折射率 1 4 1 等。 这些新技术或对原有测量方法进行改进，或另辟蹊径，实现了对样品折射率的准 确、快速、自动化测量。 1 3 晶体光折变非线性介绍 光折变效应是光致折射率变化效应的简称。其含义是光电材料在光辐照下， 折射率随光强的空间分布而变化。折射率的这种变化与通常在强光场作用下所引 起的非线性折射率变化的机制完全不同，后者起因于光致瞬态非线性电极化。光 折变效应是发生在电光材料中的一种复杂光电过程。此过程可概括如下t 电光晶 体内的杂质、空位或缺陷充当电荷的施主或受主。当晶体在光辐照下，光激发电 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运动。迁移的电荷可以被重新俘获。经过再激发，再迁 移，再俘获，最后离别了光照区而定居于暗光区。这样形成了与光强空间分布相 对应的空间电荷分布。这些光致分离的空间电荷按照泊松方程产生相应的空间电 荷场。尽管光致空间电荷密度并不算大，典型的量级在百万分之一左右，但由它 们所产生的空间电荷场可显著地引起晶格的畸变。如果晶体不存在反演对称性， 空间电荷将通过线性电光效应在晶体内形成折射率在空间的调制变化，或者说在 晶体内写入体相位栅。并且，光束在写入相位栅同时，又受到写入相位栅的衍射 作用进行读出，因此光束的读写过程在光折变晶体内是同时进行的。这样纪录的 相位栅是一种动态光栅，实时全息体光栅。这种动态光栅对写入光束的自衍射， 将引起光波的振幅、相位、偏振甚至频率的变化。从这个意义上讲，动态光栅的 白衍射为相干光的处理提供了全方位的可能性。以上所述就是光折变效应的全过 程，也是光折变效应的物理含义。 具有光折变效应的材料一般具有较大的电光系数，除此之外，与一般在高功 率激光场作用下的非线性光学材料相比有两个显著的特点。第一个特点是光折变 材料的光学非线性效应与光强无关。也就是说用弱激光束照射晶体，同样会显示 出可观的非线性效应。光强的大小仅影响光折变过程进行的速度。光折变材料的 另一个特点是它的非局域响应。通过光折变效应建立折射率相位栅是需要时间 山东大学硕士学位论文 的，相位栅的建立不仅在时间响应上显示出惯性，而且在空间分布上也是非局域 响应的。即折射率改变的最大处并不对应光辐照最强处。也就是说，动态相位栅 在光栅波矢k 方向相对干涉条纹有一定的空间相移( 0 ) 。由波耦合理论知， 增益系数r 正比于s i n ，因此相移= 7 r 2 时，将发生最大的光能不可逆转移。 m = 7 r 2 的相位栅又称相移型光栅。相移型光栅允许将泵浦光能向信号光或相位 共轭波进行转移，从而为通过非线性作用放大信号光提供了一种新途径。实验和 理论都指出，由光折变晶体进行光耦合，其增益系数可高达1 0 l o o c m 卅量级， 这远大于激光活性物质如红宝石、钕玻璃等的增益系数。基于光折变效应的这种 高增益性，仅仅用几毫米厚的光折变材料制作的放大器，就可将信号光成百上千 倍的进行放大。在这种光放大器上再加上适当的正反馈，还可以在光折变晶体内 形成光学振荡。显然这是一种新型的相干光放大。它不同于以往的量子放大器。 由上所述，在光折变晶体内，由动态相位栅的耦合作用进行的相干光放大完全是 基于经典光学的干涉，衍射和电光效应所实现的。 由于光折变效应具有上述的特性，光折变效应的应用从一开始就处于雨后春 笋般的发展中。不仅应用十分广泛，其发展速度也是空前的。目前已用光折变材 料制作成各种用途的非线性光学器件。如全息实时存储器、光象放大器和振荡器， 相位共轭器、空间光调制器以及在光学信息处理和光学计算技术方面的各种实用 器件。 1 4 铌酸锶钙钡( c s b n ) 晶体 具有钨青铜结构的铌酸盐晶体许多是优良的光折变材料 1 5 ，1 6 】。铌酸锶钙 钡晶体( 分子式( c a 0 2 8 b a ”2 ) ，( 砜邡肋。4 0 ) 。一，舶2 仇，简写为c s b n ) 是由山东大学 晶体材料国家重点实验室新近生长的一种钨青铜结构的光折变晶体材料。c s b n 晶体和s b n 晶体是无限固熔体，具有钨青铜结构、非中心对称性，属四方晶系， 点群为4 m m ，空间群为p 4 b m 。在晶体生长时，根据需要，通过调整不同组分的合 成比例，可获得不同规格的c s b n 或s b n 固熔体。根据c s b n 晶体通式中的下标x 的 不同取值，可分为三种型号的晶体c s b n 2 5 ( x = 0 2 5 ) ，c s b n 5 0 ( x = 0 5 0 ) 和c s b n 7 5 ( x - 0 7 5 ) 。c s b n 晶体的铁电相变温度比s b n 晶体有了较大的提高( c s b n 7 5 ， 2 1 0o c ；c s b n 5 0 ，1 8 0o c ；c s b n 2 5 ，1 2 8o c ) ，同时具有类似s b n 晶体的负的热 6 山东大学硕十学位论文 膨胀及负的热扩散特性，并且其负的热膨胀及负的热扩散性能随着组分比的差异 而改变；与s b n 的吸收特性相比较，三种不同组分比的c s b n 晶体均在6 7 0 n m 波 长附近附加了一个小的吸收带，其波长响应范围进一步向红光和红外区扩展；另 外，c s b n 晶体具有比较大的电光系数、简单的畴结构( 1 8 0o 的畴) 、在外电场 条件下比较容易极化等特性，是一种优良的非线性光折变晶体材料 1 7 1 9 。三种 晶体的部分基本物理参数如下。 表1 1c s b n 晶体部分特性参数 c s b n 特性参数 c s b n 7 5c s b n 5 0c s b n 2 5 密度5 2 1 6 x1 0 3k g m 35 2 7 4