光折變晶體LiNbO 3:Fe中的特殊散射現象?

張燕 趙曰峰 趙麗娜 鄭立仁 高垣梅?

1)(山東師范大學物理與電子科學學院,濟南250014)2)(泰山學院物理與電子工程學院,泰安271021)

光折變晶體LiNbO3:Fe中的特殊散射現象?

張燕1)趙曰峰1)趙麗娜1)鄭立仁2)高垣梅1)?

1)(山東師范大學物理與電子科學學院,濟南250014)2)(泰山學院物理與電子工程學院,泰安271021)

(2016年9月26日收到;2016年11月22日收到修改稿)

用柱面透鏡把經針孔濾波器擴束的激光束沿某一個方向聚焦成細絲狀(或長條狀),細絲狀光束垂直入射到LiNbO3:Fe晶體上,在遠場位置觀察散射光.我們發現光散射的方向與晶體的c軸方向不一致,不僅沿著晶體的c軸方向有散射光出現,沿光束的條形方向也出現很強的散射光.

非線性光學,光折變效應,光散射

1 引言

光折變效應(photorefractive effect)是光致折射率變化效應(photo-induced refractive index change effect)的簡稱,是指電光材料在光輻照下由光強的空間分布引起材料折射率相應變化的一種非線性光學現象[1].晶體中的光折變效應自發現以來,就引起人們廣泛的研究和關注.目前,光折變非線性光學已經發展成為當今非線性光學中的一個重要而活躍的分支.光感應光散射(light induced scattering)是指光折變材料被照射時,由光折變效應引起的散射光放大,起因是入射光與光折變材料中的缺陷引起的散射光相干涉,寫入了噪聲相位光柵,通過噪聲柵的衍射,使入射光向散射光轉移了能量,從而放大了散射光.在光感應光散射中,寫入光就是晶體中的入射光與周圍的散射光.由于晶體中存在著多束散射光,故同時寫入了多組相位柵,散射光在空間無規則的分布著,因而這些相位柵的疊加被稱為噪聲柵.光感應光散射就是入射光被噪聲柵的自衍射.光感應光散射是廣泛存在于光折變晶體中的一種重要現象,在光學處理、光學通訊、干涉儀、激光器耦合及其鎖定等領域都有廣泛的應用[2,3].但同時,它還是許多光學應用中的不利因素.例如:在圖像處理中,光感應光散射的存在使得背景噪聲大大增加,信噪比降低,圖像模糊;在信號放大中,由于散射光消耗了抽運光的能量,使得信號光得不到應有的增益[4].正是由于這些原因,對光感應光散射——扇形效應的研究也得到了越來越多的重視.

近年來,在很多高增益光折變晶體中人們都觀察到了扇形散射現象[5?8],如呂團孫等[5]觀察到,當光入射BaTiO3晶體時,會出現各項異性散射[5].文獻[9—11]的研究認為,光折變晶體內的光束自身的多波耦合是光扇形成的一個可能原因,并以四波耦合模型代替多波耦合,通過四波混頻過程給出的穩態光強分布,說明了光扇的形成過程.考慮到高增益光折變晶體內的二波混合會產生高階衍射光,入射光束中不同空間頻率成分與它們相應的高階衍射光將發生四波耦合作用,這種作用將光能有效地從光束中低頻成分轉移至高階衍射上,從而形成了寬角分布的扇形輸出光[12?14].同時,基于前向簡并三波作用,從理論上解釋了具有局域非線性響應的光折變晶體LiNbO3:Fe中的對稱扇形效應[11?15].所有以上研究都是用激光的圓光斑垂直入射到晶體中,扇形的方向都是沿著晶體的c軸方向.這也是我們判斷晶體c軸的一個重要實驗依據.

本文中,一束線偏振的激光束經針孔濾波器擴束后被柱面透鏡聚焦成長條狀光束[16,17],該光束垂直入射到LiNbO3:Fe上,在遠場位置上觀察到了特殊散射光.我們研究了條狀光束的方向與晶體的c軸平行和垂直兩種配置下的遠場散射光,發現沿晶體c軸方向和細光束方向(f方向)均有很強的光散射.當晶體c軸和細光束f方向平行時,散射光沿著二者方向迅速變化;當二者方向垂直時,散射光先沿c軸方向出現,而后在f方向出現.我們發現光的散射方向會與晶體c軸方向不一致,并就該現象的產生原因進行了簡單的解釋.

2 實驗裝置與結果

2.1 實驗裝置

本文介紹的是對一塊LiNbO3:Fe晶體(0.03%,5mm×10mm×10mm,光軸沿5mm棱方向)的研究結果.實驗所用的光是線偏振光,在晶體的入射面上入射的長條光束寬0.3 mm,入射光的功率是11 mW,實驗裝置圖如圖1所示.一束功率為50mW的Nd:YAG激光器(波長為532 nm)經過空間濾波器(SF)和透鏡L1(f1=300 mm)后變成了一束均勻的準直平行光,這束準直平行光經矩形孔遮掉周圍圓弧部分后入射到柱面透鏡,經過兩個柱面透鏡(f2=f3=200 mm)后先會聚成一條水平方向尺寸大于10mm,豎直方向尺寸約0.3mm(在水平方向上光束能夠完全覆蓋晶體)的矩形光條,緊接著又會聚成一條水平方向尺寸約0.3 mm,豎直方向尺寸大于10 mm的長條狀光束后入射到晶體上.在光的遠場位置(約1 m處)放置光屏,單反相機用來記錄光屏上的散射圖樣.

圖1 實驗裝置圖SF為空間濾波器;L1為透鏡;L2,L3為柱面透鏡;LN為摻鐵鈮酸鋰晶體Fig.1.ExperiMental setup:SF is the spatial fi lter;L1 is a lens;L2,L3 are cy lindrical lenses;LN iron-doped lithiuMniobate crystal.

2.2 實驗結果

首先,我們研究晶體的c軸和細光束均為水平方向(定義為第一種配置)下的特殊光散射,入射到晶體上的細光束為橫條時,實驗結果如圖2所示,從圖中可以看出,初始時刻的光強分布是很均勻的;10 s左右,在水平方向上逐漸出現了周期性條紋,條紋較寬,由豎直向的細絲組成;隨著輻照時間的繼續增加,周期性條紋越來越清楚,并且條紋在水平方向迅速地向外延伸;輻照時間為10 Min時,遠場屏上的圖樣達到了一個穩定狀態,不再隨輻照時間的加大而發生變化,晶體內部的光強大幅度減弱.反射方向也有如上的現象,隨著入射時間的增加,晶體出射面的透射方向光強減弱,反射方向光強增強.(詳見video-1 online)

晶體的c軸為豎直方向,入射到晶體上的細光束為橫條(定義為第二種配置)時,實驗結果如圖3所示.從圖中可以看出初始時刻的光強分布均勻;30 s左右,由于調制不穩定性的出現,在晶體內部逐漸出現了周期性橫向條紋,條紋較窄,橫條紋由豎直方向的細絲組成;隨著輻照時間的繼續增加,周期性橫向條紋越來越清楚,在豎直方向數目越來越多,并且有沿著c軸方向延伸出晶體界面的趨勢.輻照時間為2 Min后,光開始溢出晶體的邊界,其形狀與晶體內部形狀一致.輻照30 Min后,散射圖樣保持穩定,不再發生變化.

輻照過程中,散射光先在晶體出射面外部的上下兩側,隨著輻照時間的繼續增加,當超過30Min時,散射光在垂直于晶體c軸的方向上也慢慢出現.此時在晶體左右兩側的界面臨界處比較暗,越向外越亮;并隨著輻照時間的增加散射光光強越來越強.在左右兩側出現的條紋是由豎直方向的細絲組成,隨輻照時間的增加,豎直細絲在豎直方向越來越長,當輻照時間超過2 h后,光屏上圖樣趨于穩定.(詳見video-2 online)

第三種配置:只用一個柱面透鏡時,晶體的c軸為橫向,入射到晶體上的細光束為橫條時(在遠場方向為豎條),遠場散射圖樣隨輻照時間的變化.

只用一個柱面透鏡時,晶體的c軸為橫向,入射到晶體上的細光束為橫條時(在遠場方向為豎條)(定義為第三種配置),實驗結果如圖4所示(因光屏放置位置較遠,以及柱面透鏡的關系,聚焦到晶體上的橫條狀光束在光屏上變為豎條狀).由光屏上圖樣變化可看出,當使用一個柱面透鏡時,與使用兩個柱面透鏡相比較圖樣變化是大致相同的,但此種實驗配置下可以明顯看出散射光清晰地分成了幾條.從圖4中可以看出初始時刻的光強分布均勻;條紋出現時間由10 s變為30 s;清晰可見的條紋共分四條,按自上而下編號為1,2,3,4,四條條紋在輻照1Min內迅速沿著晶體c軸方向延伸.1號條紋和4號條紋在向外延伸的同時,豎直方向細絲也在變長,并且1號條紋慢慢上移,4號條紋慢慢下移.隨著2號條紋和3號條紋的向外延伸,豎直細絲在變短,并且2號條紋下移,3號條紋上移,在輻照時間為4 Min時,2號條紋和3號條紋由于豎直方向上的運動合為一條.(詳見video-3 online)

圖2 (網刊彩色)第一種配置下,遠場屏上圖樣隨入射光輻照時間t的變化(a)—(f)對應t=0,10 s,30 s,1 Min,3 Min,10 Min;(g)為(d)對應的反射光,(h)為(f)對應的反射光Fig.2.(color on line)Pattern changes on the far-field screen w ith the incident irradiation tiMe:(a)–(f)Correspond to the irrad iation tiMe 0,10 s,30 s,1 Min,3 Min,10 Min;(g)is the refl ected light pattern of(d);(h)is the refl ected light pattern of(f).

圖3 (網刊彩色)第二種配置下遠場屏上圖樣隨入射光的輻照時間t的變化(a)—(h)分別對應t=0,0.5,2 Min,35,40,45,50,68 MinFig.3.(color on line)Pattern changes on the far-field screen w ith the incident irrad iation tiMe in the second cofiguration:(a)–(h)t=0,0.5,2,35,40,45,50,68 Min,respectively.

圖4 (網刊彩色)第三種配置下,遠場屏上圖樣隨入射光輻照時間的變化(a)—(f)分別對應t=0.5;3;6;12;16;30 MinFig.4.(color on line)Pattern Changes on the far-field screen w ith the incident irrad iation tiMe in the third con figu ration:(a)–(f)t=0.5;3;6;12;16;30 Min,respectively.

條紋狀散射光沿晶體c軸向外延伸的時間由1 Min變為2 Min;達到穩定的時間由10 Min變為30Min.

根據上述實驗現象,進行如下討論.經柱面透鏡聚焦后的長條狀光束照射到晶體上時,可把長條光束看成由若干束緊貼在一起的子光束構成,這些子光束為垂直于長條方向(f方向)的細絲,它們會在晶體中記錄光柵,光柵對入射光產生散射,散射光與入射光形成新的光柵,新光柵對入射光繼續產生散射,周而復始,散射光會沿著長條狀光束的方向“生長”(如video-1,video-3 online).此種現象并非是由調制不穩定性導致的,由文獻[16,17]知同等配置下,調制不穩定性圖樣在條形光束照射晶體大約30Min后出現,而本文實驗結果的散射現象是在條形光束照射晶體1—2Min后就慢慢出現.

聚焦光束入射到LiNbO3:Fe晶體中時,光折變效應在光照區平行于c軸方向形成了由正、負、正三個透鏡組合而成的類透鏡組;而在垂直于c軸方向形成了一個負類透鏡[5].由于這種類透鏡效應,激光光束在通過晶體時,光束不同部分的傳播方向會發生不同的改變,而波失方向相同的光線彼此相干,這樣就沿著晶體的c軸方向出現了自衍射[5,18].自衍射的過程是一個光折變效應的過程.

當光束的長條方向和晶體的c軸平行時,光束的自衍射方向和由細絲光束產生的散射光的“生長方向”相同,二者相互促進,所以很快達到穩定狀態(約10 Min).當光束方向和晶體的c軸方向垂直時,伴隨著光折變效應先沿著晶體的c軸方向出現自衍射.當光折變達到飽和時,自衍射效應停止.由于晶體中光斑尺寸較大[19],有利于光感應光散射的形成,此時沿光束方向出現了散射光的緩慢生長.也就是說,這種配置下,開始時光感應自衍射產生的衍射光從入射光中得到較多的能量,一段時間后光感應光散射占優勢,形成了video-2中所觀察到的先在沿著c軸的方向出現自衍射,一段時間后沿著光條f方向出現散射的動態現象.

3 結論

用柱面透鏡把經針孔濾波器擴束的激光束沿某一個方向聚焦成長條狀,長條狀光束垂直入射到LiNbO3:Fe晶體上,在遠場位置觀察到了特殊的動態散射光.我們研究了長條狀光束的方向與晶體c軸方向平行和垂直的兩種配置下的遠場散射光.發現沿c軸方向和細光束方向(f方向)均有很強的光散射,當晶體c軸方向和長條f方向平行時,散射光沿著二者方向迅速變化;當二者方向垂直時,散射光先沿c軸方向出現,而后在f方向出現,并對現象的產生進行了理論解釋.

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(Received 26 Sep teMber 2016;revised Manuscrip t received 22 NoveMber 2016)

PACS:42.65.–k,42.65.Hw,42.68.MjDOI:10.7498/aps.66.084206

*Pro ject supported by the National Natu ral Science Foundation of China(G rant Nos.11304187,11374108,11404196,11574185,11404194),the China Postdoctoral Science Foundation(G rant No.2015M582126),and the Science and Technology P lan Projects of Colleges and Universities of Shandong Province,China(G rant No.J14LA 55).

?Corresponding author.E-Mail:gaoyuanMei@sdnu.edu.cn

Special scattering in photorefractive crystal LiN bO3:Fe?

Zhang Yan1)Zhao Yue-Feng1)Zhao Li-Na1)Zheng Li-Ren2)Gao Yuan-Mei1)?

1)(College of Physics and E lectronics,Shandong NorMal University,Ji’nan 250014,China)2)(College of Physics and E lectronic Engineering,Taishan University,Tai’an 271021,China)

We observe special scattering light by using a siMp le experiMental device and record the dynaMic behavior w ith a camera.A laser beaMfroMan Nd:YAG laser,which is expanded by the spatial fi lter(SF)and collimated by the lens L1(f1=300 mm),is focused into a line light through a pair of cylindrical lenses L2,L3(f2=f3=200 mm)and irradiates the LiNbO3:Fe crystal.On condition that the directions of line beam(f)and c-axis of the crystal are both parallel to the horizontal direction,we observe experiMentally that the scattering light spreads gradually in the horizontal direction in the far field as irradiation tiMe goes on.Then the scattering light reaches a steady state after 10Min.The scattering light beaMis coMposed of vertical fi laments.W hen the line beaMis horizontal and the c-axis is vertical,the scattering light coMposed of horizontal fi laMents fi rstly appears in the vertical direction.About 30 Min later,the scattering light appears and spreads along the horizontal direction to the far field as irradiation tiMe goes on.A t this tiMe,the scattering light is also coMposed of vertical fi laments.That is to say,we observe the scattering light whose direction is inconsistent w ith the c axis of the crystal.We also give the corresponding theoretical exp lanation to the phenoMenon.W e suppose that the line beaMconsists ofMany close-set thread-like sub-beaMs,which are vertical to the direction of the line beam.W hen the line beaMirradiates the photorefractive crystal,the sub-beaMs record the gratings in the crystal according to photorefractive non linear eff ect.The gratings diff ract the input beam.The scattering light and the incident beaMinterferew ith each other,thereby recording the new grating.At the same time,the new gratings also diff ract the incident beam.It goes full circle.So energy transfers froMincident beaMto the scattering light beam.The direction of the scattering light beaMspreads along the direction of the line beam.

nonlinear optics,photorefractive effect,light scattering

10.7498/aps.66.084206

?國家自然科學基金(批準號:11304187,11374108,11404196,11574185,11404194)、中國博士后科學基金面上項目(批準號:2015M582126)和山東省高等學?？萍加媱?批準號:J14LA 55)資助的課題.

?通信作者.E-Mail:gaoyuanMei@sdnu.edu.cn

?2017中國物理學會C h inese P hysica l Society

http://w u lixb.iphy.ac.cn