【摘要】：為實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)相位匹配,鐵電晶體通常通過周期性極化疇反轉(zhuǎn)的方式以獲得高效的非線性頻率轉(zhuǎn)換效率,晶體中正負(fù)疇區(qū)域的交界面被定義為疇壁。近年來,鐵電晶體疇壁以其不同于晶體單疇體介質(zhì)區(qū)域的如導(dǎo)電性、可遷移性和對稱性等特殊性質(zhì)以及在納米尺度功能器件的應(yīng)用前景,受到研究人員關(guān)注。盡管人們利用了光學(xué)成像以及掃描探針類顯微鏡等方法來探測疇壁的內(nèi)部結(jié)構(gòu),但是疇壁區(qū)域非線性過程增強(qiáng)機(jī)理的解釋仍不成熟。本文主要集中在研究鐵電晶體疇壁的非線性光學(xué)特性。特別是基于鐵電晶體疇壁的非線性切倫科夫輻射,這是一種滿足自動縱向相位匹配的非線性過程,比起其他參量過程,具有轉(zhuǎn)化效率高、寬帶倍頻以及實(shí)驗(yàn)條件寬松等特點(diǎn)。由于周期性極化晶體中切倫科夫輻射與疇壁的局域性密切相關(guān),可以作為我們探測疇壁內(nèi)部性質(zhì)的有效手段。疇壁區(qū)域晶格不同的對稱性的依據(jù)主要來源于疇壁區(qū)域非線性過程的增強(qiáng),目前主流的觀點(diǎn)包括,由于晶格結(jié)構(gòu)的扭曲而產(chǎn)生的新極化率張量以及疇壁局域的內(nèi)建電場,這些都直接表明了其不同于體介質(zhì)晶格的對稱性。實(shí)驗(yàn)中,由于鈮酸鋰疇壁產(chǎn)生的非線性切倫科夫倍頻以及和頻攜帶疇壁本身的結(jié)構(gòu)信息,我們通過探測切倫科夫輻射的偏振,同時調(diào)節(jié)對應(yīng)基頻光的偏振,定性地得到了完整的疇壁二階極化率張量�；趯Ρ肉壦徜圀w介質(zhì)新產(chǎn)生的極化率張量元,我們得出疇壁區(qū)域晶格的鏡面反演對稱性被破壞,而三重旋轉(zhuǎn)對稱性得到保留。利用雙折射晶體不同偏振光的折射率的不同,以一種偏振態(tài)作為入射光,由于此時滿足切倫科夫輻射相速度閾值條件,在對應(yīng)的切倫科夫角上可以觀察到另一種偏振態(tài)的出射光,稱為線性切倫科夫輻射。這一現(xiàn)象還尚未有文獻(xiàn)報道,表現(xiàn)為雙折射晶體中的偏振轉(zhuǎn)換過程。同時通過增大泵浦光的入射角同樣可以實(shí)現(xiàn)類反常色散環(huán)境中的切倫科夫輻射。類似于非線性切倫科夫輻射,由于疇壁對線性切倫科夫輻射過程極化波的局域作用,我們可以利用線性極化率的張量元變化表征疇壁對稱性的破缺。
【圖文】：

圖 1-2 相位匹配與倍頻光能量示意圖[4]。（a）相位失配情況（b）相位匹配情況（c）準(zhǔn)相位匹配時二次諧波的強(qiáng)度隨光傳播距離的變化。Fig. 1-2 Schematic of the quasi-phase-matching[4]. Diagram of phase matchingprocess and the relationship of second harmonic generation with respect tofundamental wave propagation distance in (a) phase-mismatching process (b)phase-matching process (c) quasi-phase-matching process.以鈮酸鋰（LiNbO3）晶體中的倍頻過程為例，當(dāng)泵浦光（基頻光）為 1為得到高效的 532nm 倍頻輸出（以 ee-e 匹配過程為例）。 我們可以采用疇反轉(zhuǎn)的方法，并且控制極化周期 為 7.58μm，來實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)相位匹配。相位匹配的另一種方法雙折射匹配[1, 2]（圖 1-3 所示），則需要嚴(yán)苛條件來 (通過控制波長、溫度等實(shí)驗(yàn)條件保證基頻光與倍頻光波矢匹配)，同時短波極限，走離效應(yīng)等問題。因此，準(zhǔn)相位匹配是實(shí)現(xiàn)非線性過程十分理，通過人工設(shè)計(jì)晶體的極化周期來實(shí)現(xiàn)不同的相位匹配過程，晶體的高非被充分利用同時實(shí)驗(yàn)條件也更為寬松。

圖 1-3 雙折射相位匹配示意圖[4, 5]。(a) 正單軸晶體（b）負(fù)單軸晶體的雙折射匹配(c)鈮酸鋰的雙折射匹配示意圖。Fig. 1-3 Diagram of birefringence phase-matching[4, 5]. (a) Positive uniaxial crystal (b)Negative uniaxial crystal (c) Diagram of birefringence of lithium niobate.1.2 鐵電晶體極化特性（1）鐵電晶體極化鐵電晶體的晶胞中原子正負(fù)電荷中心不重合，從而會產(chǎn)生電偶極矩，內(nèi)部電偶極矩的累積，在特定的方向上呈現(xiàn)極性。在基礎(chǔ)電磁學(xué)[6, 7]中，，極化強(qiáng)度是表示介電材料中電偶極矩空間分布密度的矢量場。沒有外加電場時，鐵電晶體分子在宏觀體積元 V 電偶極矩的矢量和iVp 為零，因此對外不顯電性。在外電場的作用下，極化強(qiáng)度矢量可以定量地描述為limiVpP ，其中 表示宏觀體積 內(nèi) i 個分子電偶極矩的總和，并且極化
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TL81;O734

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本文編號：2657237