固体光学-晶体光学.ppt
《固体光学-晶体光学.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《固体光学-晶体光学.ppt(52页珍藏版)》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、晶体性质的测量与研究方法晶体性质的测量与研究方法1一一.光学性质测量光学性质测量 1.折射率折射率 2.光学透过性光学透过性 3.电光性能电光性能 4.光折变性质、光折变性质、5.介电参数的测量介电参数的测量二二.铁电性质电滞回线测量铁电性质电滞回线测量三三.介电性质介电性质四四.压电性质测量压电性质测量 1.准静态法准静态法 2.光学相干法光学相干法 3.谐振反谐振法谐振反谐振法五五.热释电性质热释电性质晶体性质的测量与研究方法晶体性质的测量与研究方法2折射率折射率(最小偏向角法最小偏向角法)光学性质测量光学性质测量此方法采用的设备为分光分光计计。如右图所示,AB和AC是透光的光学表面,又称
2、折射面。三棱镜的顶角a可采用反射法测量。一束平行光入射于三棱镜,经过AB面和AC面反射的光线分别沿T3和T4方位射出,T3和T4方向的夹角记为q。由几何学关系可知,aq/2(T4-T3)/2。3折射率折射率(最小偏向角法最小偏向角法)光学性质测量光学性质测量一束单色平行光入射到棱镜上,经两次折射后射出,入射光与出射光间的夹角d称为偏向角。转动三棱镜,固定入射光,则偏向角d发生变化。沿偏向角减小的方向继续转动三棱镜,使偏向角逐渐减小。当转到某个位置时,若再继续沿此方向转动,偏向角又将逐渐增大,此位置对应的偏向角便是最小偏向角dmin。4棱镜材料的折射率n与顶角a及最小偏向角dmin的关系式折射率
3、折射率(最小偏向角法最小偏向角法)光学性质测量光学性质测量对于单轴晶体,切割棱镜时使厚度沿着光轴方向。两个不同主折射率的测量,可通过入射光的偏振方向来实现。入射光的偏振方向与光轴方向平行,则测得的折射率为非寻常光的折射率ne;入射光的偏振方向与光轴方向垂直,则测得的折射率为寻常光的折射率no。5椭圆偏振仪根据偏振光束在介面表面反射时出现的偏振态变化来研究材料光学性质。椭偏仪对样品要求不高,测量薄膜和块材样品的折射率n,消光系数(extinctioncoefficient)k、厚度d(主要指薄膜样品)等有关参数,具有较灵敏、精度较高、使用方便等优点,而且是非破坏性测量。椭偏法测量的基本思路是:起
4、偏器产生的线偏振光经取向一定的1/4波片后成为椭圆偏振光,把它投射到待测样品表面时,只要起偏器取适当的透光方向,被样品表面反射出来的将是线偏振光。根据偏振光在反射前后的振幅和相位变化,便可以确定样品表面的光学特性。折射率折射率(椭圆偏振仪椭圆偏振仪)光学性质测量光学性质测量6椭偏仪组成部分:(1)光源。大多选用Xe或Hg-Xe灯,其强度从紫外(190nm)到近红外近似为常数;(2)偏振器。能将任何偏振态的光变成线偏振光。目前常用格兰泰勒(方解石)偏振器;(3)1/4波片。可将线偏振光变为椭圆偏振光;(4)光束调制器。为方便探测,用于光强调制;(5)探测器。主要有光电倍增管、硅光电池和InGaA
5、s等。折射率折射率(椭圆偏振仪椭圆偏振仪)光学性质测量光学性质测量法国Jobin-Yvon公司生产的UVISEL/460型光谱椭偏仪 7折射率折射率(棱镜耦合器棱镜耦合器)光学性质测量光学性质测量棱镜耦合器是基于全反射原理进行工作的。如图所示,把样品的一个抛光面紧贴在棱镜面上。入射光进入样品时,以不同的入射角q连续扫描,测量反射光线的强度。当到达全反射角qc时,入射光线在全反射和折射间发生转化,此时,反射光线的强度发生剧烈变化。棱镜的折射率np已知,只要测量出qc的值,根据n=npsinqc,就可以很容易地得到待测样品的折射率n的结果。8折射率折射率(棱镜耦合器棱镜耦合器)光学性质测量光学性质
6、测量棱镜耦合器可以提供TE(S偏振光,电场振动方向垂直于入射平面)和TM(P偏振光,磁场振动方向垂直于入射平面,电场振动方向平行于入射平面)两种测量模式,很容易表征光学性能的各向异性,即可以测量样品的双折射。美国的Metricon公司生产的2010型棱镜耦合器9折射率折射率(测量方法比较测量方法比较)光学性质测量光学性质测量最小偏向角法优点:可测量晶体双折射(即no和ne),测量设备简单;缺点:棱镜样品加工麻烦。椭圆偏振仪优点:波长可从紫外到近红外连续变化,测量速度快;缺点:只能测量单一折射率,适用于各向同性材料。棱镜耦合器优点:可测量晶体双折射,测量速度快;缺点:光源只能采用激光,波长有限。
7、10Sellmeier方程M.DiDomenico et al,J.Appl.Phys.40(1)(1969)720折射率折射率(研究方法研究方法)光学性质测量光学性质测量此方程中的Ai、Bi、Ci、Di没有物理意义。单项Sellmeier关系S0为平均振子强度,l0为平均振子位置,Ed为色散能量,E0为单个阵子能量。Wemple和Didomenico研究了大量氧八面体结构的铁电体,定义出折射率色散参量E0/S0,发现具有氧八面体的铁电体折射率色散参量值很相近,即E0/S0=60.510-14eVm2。11光学性质测量光学性质测量紫外/可见/近红外分光光度计(UV-Visible-NIRSpe
8、ctrophotometer)光学透过性光学透过性(测量设备测量设备)如日本JASCO公司生产的V-570型光度计,测量波长范围为1902500nm如美国热电(ThermoElectron)公司的Nexus870型红外光谱仪,测量范围为2.525m。傅立叶变换红外光谱仪(FT-IRspectrophotometer)12光学性质测量光学性质测量光学透过性光学透过性(禁带宽度禁带宽度)吸收系数吸收系数与晶体禁带宽度的关系为t为晶体厚度,T为透射率,R为反射率双面抛光的晶体的反射率为R=(n-1)2/(n2+1)式中A是常数,Eg表示允许跃迁的光学带隙。n由吸收过程中电子跃迁方式决定。本征跃迁有直
9、接跃迁和间接跃迁两种方式,当n=1/2时,表示直接跃迁,n=2时,表示间接跃迁。J.Tauc,Optical Properties of Solids,New York:Academic Press,1966A.El-Korashy et al,Physica B 304(2001)43713起偏器信号发生器样品示波器1/4波晶片透镜检偏器 激光功率计4545a激光器计算机透镜在外加电场的作用下,晶体折射率发生变化的现象称为电光效应。对于单轴晶体,则有光学性质测量光学性质测量有效电光系数有效电光系数(单轴晶体单轴晶体)l=1,2,3,4,5,614动态(交流电压)法测量要比静态(直流电压)法精
10、确,因此测量时选择了一个交流电压V=Vmsinwmt,它在晶体中产生的相位延迟为光学性质测量光学性质测量有效电光系数有效电光系数(单轴晶体单轴晶体)整个测试系统的相位延迟为G(0)表示单晶的自然双折射引起的相位差,实际测量时,可调节检偏器方向角使2=G(0)。则整个测试系统光路透过率可表示为系统中输出光强变化由样品电光效应所引起的相位差G(E)决定。(1)(2)(3)15图中给出了输出光强随相位延迟的变化关系光学性质测量光学性质测量有效电光系数有效电光系数(单轴晶体单轴晶体)测试时要把工作点定在最大线性工作点处,也就是相位延迟为p/2的地方。测试光路中的1/4波片,可以起到这个作用。利用贝塞尔
11、函数处理(3)式,可知(4)16在实际测量时,光信号转化成电信号,测量相应的电压值表示出它的强弱。如果用S0表示光电探测系统的转化系数,则有光学性质测量光学性质测量有效电光系数有效电光系数(单轴晶体单轴晶体)和由式(4)(5)可知电光效应引起的相位延迟为对于单轴晶体,根据电场下折射率椭球变化情况,可得知由电光效应引起的相位延迟为L为光波经过晶体的长度,E为电场强度,gc为有效电光系数,d为介质电极间的厚度。(5)(6)(7)17光学性质测量光学性质测量有效电光系数有效电光系数(单轴晶体单轴晶体)可以得到所测样品有效电光系数由式(6)和(8)可得(8)(9)M.Aillerie et al,Ap
12、pl.Phys.B 70(2000)31718光学性质测量光学性质测量有效电光系数有效电光系数(各向同性晶体各向同性晶体)在各向同性晶体有效电光系数的测量中,检偏器的通光方向与起偏器相互垂直,其它元件配置不变。起偏器信号发生器样品示波器1/4波晶片透镜检偏器 激光功率计4545激光器计算机透镜19光学性质测量光学性质测量有效电光系数有效电光系数(各向同性晶体各向同性晶体)对于各向同性的晶体,电场下晶体折射率椭球变化为i,j=1,2,3各向同性晶体的有效电光系数测量方法与单轴晶体相同,只是电光系数的表达式变为20二波耦合光路当IRIS时,增益系数He-Ne激光器分束器+C轴反射镜反射镜晶体ISI
13、R2q快门可调衰减器功率计光学性质测量光学性质测量光折变性质光折变性质(测试光路测试光路)假设光栅已经建立,以再现光读出光栅,则衍射效率定义为Ir(L)和Is(0)分别是衍射光和读出光的强度21当等光强的R光和S光在晶体中写入光栅后,关掉其中一束,写入的光栅便会被擦除。在擦除过程中,擦除光与它的衍射光在晶体内发生干涉,从而写入新光栅,新旧光栅之间的相互作用将影响擦除速率。判断光激载流子类型的方法为,在上面的光路中,如果R光比S光擦除得慢,则说明能量由R光转移到S光,能量转移方向与晶体光轴方向相同,这时光激载流子以空穴为主;如果S光比R光擦除得慢,则说明能量由S光转移到R光,能量转移方向与晶体光
14、轴方向相反,这时光激载流子以电子为主。光学性质测量光学性质测量光折变性质光折变性质(光激载流子光激载流子)D.L Staebler et al,J.Appl.Phys.43(3)(1972)104222写入光栅的过程中,衍射再现的信号光强按照公式A(1-exp(-t/tr)进行拟合;擦除过程中,则按照公式Bexp(-t/te)进行拟合,这里的A和B为常量,tr和te分别是光栅写入和擦除时间。光学性质测量光学性质测量光折变性质光折变性质(响应时间响应时间)某晶体折射率光栅写入和擦除过程中衍射光强度随时间变化关系C.Yang et al,Appl.Phys.Lett.74(10)(1999)138
15、523G=Asinq/(1+B-2sin2q)(cos2qi/cosqi)晶体的增益系数G与晶体外光束夹角2q的关系光栅形成速率1/t与总光强I0的关系光学性质测量光学性质测量光折变性质光折变性质(常用公式常用公式)cos2qi/cosqi值变化较小,通常小于8%,进行理论拟合时可以忽略此项。为简化数据分析,通常假定电子和空穴的竞争因子x(K)与波矢K无关。24介电常数的测量介电常数的测量 在在电电场场作作用用下下,电电位位移移矢矢量量D随随电电场场强强度度E的的变变化化关关系系为为Di=0 ijEj,式式中中 ij称称为为介介电电常常数数。影影响响介介电电常常数数的的因因素素很很多多,如如外
16、外电电场场的的频频率率、电电场场强强度度、温温度度等等。在在人人们们研研究究介介电电材材料料的的介介电电性性与与上上述述各各影影响响因因素素关关系系的的同同时时,发发展展了了很很多多种种测测量量介介电电常常数数的的方方法,下图给出了适用于不同频率范围的测量方法。法,下图给出了适用于不同频率范围的测量方法。介电常数的测量及其频率范围介电常数的测量及其频率范围25 对对介介电电常常数数的的测测量量,一一般般通通过过测测量量电电介介质质的的电电容容量量来来实实现现。对对于于足足够够大大的的平平行行平平板板电电介介质质电电容容器器,其电容可表示为:其电容可表示为:式中式中 0是真空介电常数,是真空介电
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 固体 光学 晶体
限制150内