范文一:光折变效应
晶体光折变效应与光学存储实验
0910660 廖尧光电子
实验简介:
光折变效应是光致折射率变化效应的简称。光折变效应首先是由在贝尔实验室工作的Ashkin 等人于六十年代发现的。他们当初用LiNbO3和LiTaO3晶体进行光倍频实验时,意外发现强光辐照会引起晶体折射率的变化,从而严重地破坏了相位匹配条件。光折变效应已成为光学信息处理的基本手段,应用于光放大、光振荡、光学记忆、图像存储与复原、空间调制器、全光学时间积分器、图像相减相加和反演、图像相关和卷积等诸多领域。
实验原理:
(一)光折变效应机理
光电材料在光辐照下,折射率随光强的分布而变化。电光晶体中的杂质,空位或缺陷充当点和的施主或受主当晶体在光辐照下,光激发电荷进入临近能带。光激发载流子因浓度梯度扩散,最后离别了光照区,定居于暗光区,这样就残生了与光强分布对应的空间电荷分布。如果晶体不存在反演性,空间电荷场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空间内写入体位相光栅。
(二)光存储原理
掺铁铌酸锂晶体光激发的载流子主要是铁离子,它不会改变材料的电光性质,但是对光折变效应有着显著的影响。在光折射下Fe 2+被光电离成Fe 3+激发至导带的光电子迁移到暗区被Fe 3+俘获成为Fe 2+,从而导致空间电场分离形成空间电荷。此时的光折变效应是Fe 2+和 Fe 3+杂质按光强重新分布的结果
实验目的:
了解光折变效应和光学存储的概念和原理,通过实验掌握一种在光折变材料中信息存储的方式。
光折变全息存储的特点:
? 大容量
? 并行性
? 实时性
? 可循环使用
? 选择性
? 可接受按存储时间
实验仪器:
全固态绿光激光器,减光镜,分束棱镜掺铁LiNbO 3晶体样品,激光功率计,CCD 摄像机,计算器,1/2玻片,偏振棱镜,快门,反光镜,透镜等
实验装置: ?
? 光折变存储器重全息图的写入是基于二波耦合的几何配置
实验步骤:
1 、启动激光器电源,使激光器出光。
2、在实验台上安排好仪器、光学元件位置,调整光路高。用功率计测量光功率,调节光强衰减器,使晶体样品前的光强约为20毫瓦
3、反复调节可调角分束棱镜之前的二分之一波片,用功率计测量,使两束光的光功率基本相等。
4、调节反射镜的角度和位置,使交叠在样品上的两束光光程相等,调节偏振方向平行并垂直于台面
5、 在掺铁铌酸锂晶体中写入和读出图样
启动激光器,使之出光。
调整好光路,并调整是样品前的光强约为20毫瓦。
反复调节可调浇分束镜的之前的1/2玻片,是两束光的光功率基本相等。 调节反射镜的角度和位置,是光程基本相等。
在两束光交叠出放上样品,观察衍射现象
在光路中加入扩束透镜和底片,进行多图像写入和读出,并用CCD
摄像机社区写入
和读出的图像,存入计算机。
实验思考题:
1光折变全息存储的特点:
答:光折变全息存储具有如下优点:1、大容量光折变存储器是三维的,其理论存储容量的极限值为1/λ^3,又因为衍射结构的空间分辨率能达到照明波长数量级,这是普通二维存储器不可比拟的。2、并行性:每页全息图中的信息量至少是10^3-10^4bits;3实时性:与全息干板相比,不需要显影、定影等手续。4、可循环性:在均匀光辐照下或用升温的方式可以擦除存储的信息;5、选择性:利用体全息图的布拉格选择性,可进行有选择的检索并实现联想记忆;6、可接受的暗存储时间长,易于保存。
2、根据实验光路,能否有改善存储、读取图像质量的方法?
选用更高倍率的显微物镜;精确物光、参考光的光程差等
范文二:光折变效应
四波混频与位相共轭
(北京师范大学 物理系)
[摘要]本实验介绍了位相共轭波、四波混频、光折变效应以及自泵浦位相共轭镜的物理含义,通过测四个位置的光功率,计算得到反射率为44.97%,通过实验观察猫镜自泵浦位相共轭器及畸变物体像的恢复现象,与普通反射镜对比,自泵浦位相共轭器具有补偿波前失真的特性。
一、引言
光折变效应是光致折射率改变效应的简称,是电光材料在光辐照下由光强的空间分布引起材料折射率相应变化的一种非线性光学现象。1966年,贝尔实验室的Ashkin 等人在用LiNbO3和LiTaO3晶体进行激光倍频实验时意外地发现了一种特殊的光损伤现象,即在光辐照区光引起了晶体折射率的变化从而破坏了产生倍频的位相匹配条件,继而降低了倍频效率。这种光损伤与永久性光损伤不同,它在光辐照停止后仍能保持相当长的时间,并且可用均匀光辐照和加热的方法擦除,是一种可逆的光损伤。人们称这种现象为光折变效应。自光折变效应被发现以来,人们对它的研究如雨后春笋般地发展起来,很快成为非线性光学领域中的一个重要分支,被广泛地应用在光存储,光像放大器和振荡器,空间光调制器以及光学信息处理和光子计算技术、光通讯等领域。
位相共轭波是在振幅、位相(即波阵面)及偏振态三个方面与入射光波互为时间反演的光波,它能消除非均匀介质引起的波前畸变。产生位相共轭波的常用方法有全息术和非线性光学的四波混频等。利用晶体的光折变效应,也可以获得位相共轭光。1982年,Feinberg 提出用一束入射光照射光折变晶体产生该入射光的位相共轭光,首次实现了自泵浦位相共轭镜,由它产生的位相共轭光使畸变的猫像等到复原,这种自泵浦共轭镜也被称为猫镜。
本实验要求了解位相共轭现象及其物理意义,了解光折变效应以及自泵浦位相共轭镜的原理。
二、实验原理
1.位相共轭波的概念
位相共轭波是在振幅、位相(即波阵面)及偏振态三个方面互为时间反演的光波。在数学上相当于一个作用算符,经它作用后的光波复振幅转变为它的复共轭,故因此而得名。一频率为ω的单色光沿轴传播,其光波电场表示为:
频率为ω的单色光沿z 轴传播,其光波电场表示为:
(1.1)其共轭波为:
(1.2)
式中:
(1.3)
可以看出:
(1.4)
即具有时间反演的关系。
位相共轭镜与普通反射镜相比较,对于位相共轭镜,除了传播方向相反外,入射波与反射波完全相同,就偏振态而言,两者互为时间反演,如果入射波为左旋圆偏振,则其位相共轭波也是左旋圆偏振,但普通反射镜确实右旋圆偏振的。
且位相共轭镜具有补偿波前失真的特性, 但对于普通反射镜,光波两次通过非均匀介质(畸变介质), 产生的波前失真是积累的。
2、四波混频
产生位相共轭波的方法有多种,大体上可以分成两类,一是光参量互作用方法,一是受激作用方法。其中四波混频是属于前者的一种。利用四波混频产生位相共轭波具有较高的实用价值,特别是简并四波混频方法,由于不要求严格的匹配条件,因而被广泛使用。如图0所示:A 1,A 2为一对泵浦广,当信号光A 3输入时,就会产生位相共轭光A 4。
这种方法的原理, 如图0 所示。有三束光波同时作用于非线性介质, 令它们分别为A1、A2(泵浦波) 与A4(信号波, 或称探测波), 其电场强度可表示为如下形式:
由非线性光学理论得知, 三波场作用下的介质产生三阶非线性极化, 其中一项为以下形式:
(2.1)
式中χ(3) 代表介质的三阶非线性极化系数。取ω1=ω2=ω4=ω,亦即满足所谓简并四波混频条件, 并令k 1+k 2=0, 而k 4沿Z 轴方向, 则可得:
(2.2)
不难从中看出, 它产生一个方向与探测波方向相反(即k 3=-k 4), 而且对
*探测波相前反演(即E 3=E 4) 的波场---后向位相共扼波。
为了分析它的性质, 我们可以将上式代入麦克斯韦方程, 并根据能量守 恒(ω1+ω2=ω3+ω4) 与动量守恒(k 1+k 2=k 3+k 4=0) 定律, 且假定泵浦波是非耗尽的, 即它的能量足够大, 则可导出四波耦合方程:
(2.3)
(2.4)
其中κ*=2πωχ(3) ?A 1A 2/cn 为耦合系数。
因只有探测波输入, 故边界条件是A 4(0) =A 40, A 3(L ) =0. (2.5) 由此不难求出方程(2.3)和(2.4)的解, 即:
(2.6)
(2.7)
由上式可知, 是四波耦合作用的产物,它的大小与探测波的复共轭成正比。 对简并四波混频产生位相共轭波的原理还可以从实时全息的角度来理解, 光波在介质中由于干涉作用形成强度的空间调制。从而导致介质折射率与吸收系数的空间发布,这使得介质中形成一种体光栅,它对于物波来说,起着全息记录的作用,因此当用光波照射再现时,就自然得到了物波的再现波。由全息理论可以证明在上述情况下,这个再现波大小与原始物波的复共轭,与上述分析结果是一致的。
3、光折变效应
光折变效应 (photorefractive effect) 是光致折射率变化效应 (photo-induced refractive index change effect) 的缩称。这一术语的含义是电光材料在光辐照下, 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。这个过程可概括如下: 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,
空间电荷场将通过线性电光效应(泡克耳斯效应) 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, 又受到自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。这样记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、位相、偏振甚至频率的变化。从这个意义
4、自泵浦位相共轭镜
一束光入射到光折变晶体上可以产生该入射光的位相共轭光的器件称为自泵浦位相共轭镜, 所有这些共轭器都是借助于外反射镜或晶体内角反射使光折变扇形散射光回到晶体内,这些散射光和入射光通过四波混频过程产生位相共轭光。
三、实验
1、猫镜自泵浦共轭镜的实现及其位相共轭反射率的测量
(1)猫镜自泵浦共轭镜的实现
实现光路图如下图所示:
实验步骤:
(1)打开激光器,调整激光器光束水平,把晶体取出放在支撑台上,调节至合适位置,使光束可以打在晶体上。在激光器前加半波片,并调节使其与光路等高共轴;
(2
)注意晶体光轴的方向,调整波片的偏振方向,直找到相位共轭光波,注意
区分光波点不是反射光。此时,晶体照在墙上的散射光最强, 且在晶体内可以观察到光折变扇形折射光。
(2)位相共轭反射率的测量实验方案设想
在光路中加分束镜,光路如图所示,分束镜使H 光透射,V 光反射,理想分束镜对光没有吸收作用,通过测量入射光功率P1,入射光经分数镜反射功率P2,入射光经分数镜透射功率P3, 位相共轭光经分束镜反射光的功率P4, 若位相共轭光的功率P5, 则分束镜反射率P2=P4P5=15PPP 1P 4P 2即位相共轭反射率R =P 5=P1
P4323PPP
最后算出位相共轭的反射率R 。
实验步骤:
1)在原有光路中加入分束镜,调节共轴等高, 分束镜方向与光轴方向夹角为45度;
2)用功率计分别测量入射光功率P1,入射光经分束镜反射功率P2,入射光经分束镜透射功率P3,位相共轭光经分束镜反射功率P4, 注意功率计归零及其量程的选择。
实验数据:
入射光位置1处I 1=32.7 mW,
位置2透射I 2=30.3 mW,
位置3反射I 3=2.4 mW,
位置4为经过晶体后的再反射I 4=1.0 mW。
I1=I2+I3,则经过晶体后反射I=I1xI 4/I3, 反射率为I/I2=44.97%。
2、畸变物体分束镜像的恢复
实验光路图如下图所示:
3、实验步骤:
(1)调整光路,按照上图放上透镜L 1, L 2,通过观察光束的大小,调整两透镜的位置使L 2发出平行光,照射物体,即两透镜共焦,短焦距透镜在前,长焦距
透镜在后,透镜焦距简单判断方法,把透镜在日光灯下照射粗略判断其焦距大小。放上透镜L 3照射晶体。
(2)观察相位共轭镜下,无畸变介质时和有畸变介质时的物象。
(3)拿掉晶体,放上普通反射镜,观察无畸变介质时和有畸变介质时的物象。
图1a 相位共轭镜下无非线性介质时观察到的物象
图1b 相位共轭镜下非线性介质时候观察到的物象
图2a 反射镜下无非线性介质观察到的物象
图2b 反射镜下加非线性介质观察到的物象
四、实验结论
对比图1a 与图1b ,图2a 与图2b ,可得,相位共轭镜具有补偿波前失真的特性,可使畸变物象得到恢复,而普通的反射镜则没有该特性,光波通过两次非均匀介质,产生的波前畸变是积累的。
观察最终的成像,加普通反射镜时反射光没有沿原路返回,因此透镜和反射镜的组合使得最终看到的像是倒立并且左右翻转的像,而相位共轭镜使位相共轭波沿原路返回,因此得到的像和原来一样。
五、参考文献
1 A. Ashkin et al. Appl. Phys. Lett.,Vol. 9,72,1966
2 Pochi Yeh,Introduction to Photorefractive Nonlinear Optics, Wiley, New York, 1993
3 刘思敏,郭儒,许京军,光折变非线性光学及其应用,北京:科学出版社,2004年
范文三:0914019光折变效应与光存储
晶体光折变效应与光学存储
王涛 肖宵
(南开大学信息技术科学学院 天津市南开区300071)
摘要:本实验以掺铁铌酸锂(LiNbO 3:Fe)晶体为实验样品,观察晶体光折变现象,研究光
折变效应的试验方法,并利用光折变效应进行光学图像存储,研究了角度编码。
关键词:光折变效应;光学存储
光折变效应即光致折射率变化效应。它是1966年由贝尔实验室的Ashkin 等人首先发现的:当他们用聚焦激光束辐照在铁电晶体材料铌酸锂和钽酸锂晶体上进行光倍频实验时,意外地发现光辐照引起折射率的变化,折射率的变化又引起光波波前的变化,从而产生光衍射,严重破坏相位匹配条件,影响此类材料在光倍频等强光光学方面的应用,因此将此现象称为“光损伤”。后来,人们发现这种“光损伤”不同于强光造成的永久性光损伤,它可以通过
均匀光照或适当地加热来消除,使材料又恢复
到原来状态。1968年,Chen 等人首先认识到“光损伤”可以用作光数据存储。这样,原本不受
欢迎的“光损伤效应”就一改最初被冷落的局
面,引起了人们的极大兴趣,同时对这种效应
的研究也日益广泛发展起来。为了与真正的、永久破坏性的“光损伤”相区别,人们将这种
效应称为光致折射率变化效应
(Photo-induced refractive index change
effect) 或简称光折变效应(Photorefractive effect) 。
光折变效应不同于其它强光非线性效应,它可以在很低的激光功率(毫瓦) 作用下,在方
便的时间尺度上实现和观察与光折变效应相关的各种非线性效应,因而引起了人们的极大
实验日期:2012年4月27日星期五
兴趣。在近二十多年中,光折变非线性光学以意想不到的速度发展并迅速形成了一门分支学科即光折变非线性光学。光折变材料可以在室温很低的激光功率(毫瓦) 作用下,实现实时各种光折变非线性效应;因此,光折变材料在光存储,光学信息处理,光计算,光相位共轭
技术等领域得到了广泛的应用。
实验原理
(一)光折变效应机理
光折变效应是电光材料在光辐照下,折射
率随着光强的空间分布而发生的变化,是一复
杂的光电过程。
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能带。光激发载流子因浓度梯度扩
散,或在电场作用下漂移,或由光伏打效应而
运动。经过再激发,再迁移,再俘获,最后离
别了光照区,定居于暗光区。这样形成了与光强分布相对应的空间电荷场。尽管光致空间电荷密度并不算大,典型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的引起
晶格畸变。如果晶体不存在反演对称性,空间
电荷场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位相光栅(图一)。并且光束在写入位相栅
的同时,又受到自写入位相栅的衍射作用进行
读出,因此光束的读写过程在光折变晶体内是
同时进行的。
图一:晶体中的双光束耦合形成体相位栅
光折变晶体有非铁电氧化物和铁电氧化物两大类。其中非铁电氧化物晶体具有快的响应速度,但能够形成折射率光栅的调制度比较小,如Bi 12(Si,Ge,Ti)O 20,GaAs 等;铁电氧化物晶体可形成大的折射率光栅调制度,但其光折变的灵敏度比较小,如BaTiO 3,KNbO 3等。
最常用的光折变晶(BaTiO 3和LiNbO 3) 是铁电体。通过压缩过程, 同时施加垂直电场并加热, 晶体就变成单电畴, 从而失去反演对称性。光折变材料与大多数其它材料有一个重要 的差别, 即如果晶体在暗处是良好的绝缘体, 则其光学非线性与光束强度无关。因此即使用弱激光束也会显示可观的非线性效应。光强只决定其速度而不决定其非线性的大小。在本实验中使用的正是掺铁铌酸锂晶体。 (二)光存储原理
本实验所用的掺铁铌酸锂晶体,其激发的载流子主要是晶体中的杂质,即铁离子。晶体中掺入少量的可变价铁杂质,它们以Fe 2+和Fe 3+的形式进入晶格,在光辐照下,Fe 2+被电离成Fe 3+,激发至导带中的光电子迁移到暗区被Fe 3+陷阱俘获形成Fe 2+,从而导致了空间电荷的分离,在晶体中产生空间电荷场,因而形成位相栅。在LiNbO3:Fe 晶体中所发生的光折变过程,可看成是光子作用下的
Fe 2+ Fe 3++e 转化过程。光折变效应是Fe 2+
和Fe 3+杂质按光强的重新分配结果。
实验装置
全固态绿光激光器,减光镜,偏振分束镜,掺铁铌酸锂晶体样品,激光功率计,CCD 摄像机,黑白显示器,两块1/2波片,偏振片,两块反
实验日期:2012年4月27日星期五
射镜,扩束镜,会聚透镜,白屏等。
如图二,两束相干的写入光(一束为信号光,一束为参考光)一同照射在光折变晶体上,形成干涉条纹。晶体在吸收这种周期性的变化的光强之后,由于光折变使折射率产生同样的周期变化,形成位相栅。
实验内容及结果
如图二布置光路。用激光功率计测量从分束镜射出的两束光强,并调节激光器后的1/2波片使出射的两束光强相等。利用偏振片与功率计确定物光的偏振方向,再通过调节另一个1/2波片使参考光的偏正方向与物光的偏正方向一致,他们均与光折变晶体的光轴平行。调节物光反射镜使其出射方向对准CCD 镜头。调节分束镜使光束能够均匀地投射到CCD 探头上,将样品底板放在一合适位置使“工”字刚好充满CCD 探头。启动CCD 并用显示器接收,将汇聚透镜放于能成清晰像的位置,即CCD 探头与样品关于汇聚透镜共轭的位置。用白屏代替晶体放于会聚透镜的交点处,调节参考光路反射镜使参考光在白屏上与物光重合,并通过调节反射镜的位置使参考光与物光等光程。至此实验光路调节完毕。
用光折变晶体替换白屏,使参考光与物光的交点恰在晶体距角较近的地方(因为之前同学做完实验后晶体为经过擦除),在显示器上可以看到“工”字在闪烁,曝光大约一分钟。遮挡物光,单独用参考光照射晶体,发现仍然可以看到“工”字样的图像。将晶体旋转一小
角度(大约0.1。~0.5。
)
,并将“人”字被物光照射,两束光同时照射约一分钟后遮挡物光,在显示器上看到“人”字样图像,再将晶体旋回到原来角度,发现“工”字样图像仍然能够看到。
思考题
一、结合实验解释光折变存储的六大优势 答:大容量:微调一小角度即可进行另外图像存储,能够实现大容量;
并行性:整幅图像上的象元是同时存储的; 实时性:存储完成后撤去物光即可立即读取图像。
可循环性:晶体能够反复擦洗。 较长的存储寿命:测出光源后信息不丢失,能够保存一段时间。
抗电磁干扰:激光频率较大,一般电磁波难以干扰。
二、如何改变存储质量和读出质量/提高光谱可分辨率
答:1、在存储图像前将晶体用均匀光辐照或升温,以确保将晶体中残留的其他图像擦除。2、调节使到达晶体的参考光和物光的光强相等且都很均匀。
参考文献
1、《工程光学》第二版,郁道银,谈恒英,机械工业出版社
2、光学,赵凯华主编,北京大学出版社
实验日期:2012年4月27日星期五
范文四:晶体光折变效应与光学存储+差热分析
实验:晶体光折变效应与光学存储 +差热分析
材料物理 0910245 卢家汉 [实验目的 ]
1. 观察晶体光折变效应现象,学习研究光折变效应的实验方法。
2. 学习利用光折变效应进行光学图象存储。
[实验原理 ]
一.光折变效应机理
光折变效应是电光材料在光辐照下, 折射率随光强的空间分布而发生的变化。 当晶体在光辐 照下, 光激发电荷进入邻近能带,光激发载流子因浓度梯度扩散, 或在电场作用下漂移,或 由光伏打效应而运动。经过再激发,在迁移,再俘获,最后离别了光照区,定居于暗光区。 这样形成了与光强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。 空间电荷场使得晶体产生畸变, 导致其密度产生了变化, 折射率也随 之变化。
二、光存储原理
物光和参考光基于二波耦合在光折变晶体中产生干涉, 由于光折变效应, 干涉图样被记录下 来。 然后再单独用参考光以同样角度照射晶体同一点, 这样就能得到物光的信息, 整个过程 实现了信息的存储与读出。
[实验方法和实验仪器 ]
本实验中,实验仪器主要有:全固态绿光激光器,减光板,分束棱镜,掺铁 LiNbO 3 晶 体样品,激光功率计, 2 波片,偏振棱镜,快门,反光镜,透镜等。
[实验内容及要求 ]
按光路图摆好光学器件, 在要放存储晶体的位置放好光屏, 调节好物光和参考光使其在光屏 上的光斑重合, 然后移去光屏, 在相应的位置以一定角度放好晶体。光学存储开始,过一段 时间,挡住物光,参考光继续照射,实现光学信息的读出。
【观察实验现象】 本实验中选取雪花形状的光阑,在放上晶体后,可以看到物光透过晶 体在墙上形成的清晰的雪花状光斑。过一会儿,光斑开始模糊,这时候,挡住物光,只用参 考光照射晶体, 可以看到墙上同样地方有模糊的雪花状光斑。 继续曝光很长时间, 再遮住物 光,可以发现墙上雪花状光斑越来越清晰。
[实验目的 ]
1. 了解差热分析的基本原理及差热曲线的分析方法。
2. 熟悉差热分析仪的使用方法。
[实验原理 ]
热分析是程序控制温度下, 测量物质的物理性质与温度关系的一类技术。 差热分析是热 分析方法的一种。 其根据是当物质发生物理化学变化 (如熔化及凝固、 固熔体分解、 相变等 ) 时,都有其特征温度,并伴随着热效应, 从而造成所研究物质与周围环境的温差。 此温差及 相应的特征温度,可用以鉴定物质或研究其有关的物理化学性质。 为对某待测样品进行差热分析, 则将其与热稳定性良好的参比物一同置于温度均匀的电 炉中以一定的速率升温。这种参比物如 SiO2 、 Al2O 3 ,它们在整个试验温度范围内不 发生任何物理化学性能的变化,因而不发生任何热效应。所以,当样品没有热效应产生时, 它和参比物温度相同,两者的温差 ΔT=0;当样品产生吸热 (或放热 ) 效应时,由于传热速率 的限制,就会使样品与参比物温度不一致,即,两者的温差 ΔT ≠ 0。
ΔT 对参比物温度 T 作图,可得差热曲线如下图所示:
当ΔT=0 时是一条水平线 (基线 ); 当样品放热时,出现峰状曲线,吸热时则出现方向 相反的峰状曲线。 热效应结束后温差消失又重新出现水平线。 这些峰的起始温度与物质性质 有关。峰状曲线与基线围起来的面积大小则对应于过程热效应的大小。
差热峰的面积与过程热效应成正比,即
式中 m 为样品的质量 ; ΔT 为温差 ; t1, t2为峰的起始时刻与终止时刻;
为差热峰的面积 A, K 为仪器参数,与仪器特性及测定条件有关。同一仪器测
定条件相同时 K 为常数,可用一定量已知热效应的标准物质,在相同的实验条件下测其差 热峰的面积,由上式得 K 值。
[实验内容及要求 ]
使用 CRY-2P 高温差热分析仪测量 Li/Nb = 58/42样品的差热曲线,从而得到该的样品 熔点和相变点。
实验步骤如下:
一、 预热
打开数据接口单元, 差热放大单元, 温控单元的电源开关, 并使温控单元的面板指示在 “ stop ” 状态,一般预热 20分钟。
二、 打开计算机
三、 准备样品
放松炉体上的压紧螺钉, 转出炉体盖, 用钩子钩住上保温盖放在旁边的工作台上,
注意要轻
拿轻放。 用镊子夹起里面的氧化铝内炉盖放于工作台上, 取一个空铂坩埚放于工作台上, 用 耳匙把样品 (两耳匙量 ) 加于铂坩埚内, 坩埚放到炉子里面之前要用镊子夹起振动几下, 使粘 在坩埚外壁上的粉末落下。用镊子夹起盛有待测样品的铂坩埚放在炉体内的坩埚架上。 四、 采样设置和程序控温设置
1、 打开计算机桌面上的 CRY-2P ,进行“采样设置” 。
2、 打开桌面上的“ XML2001”进行温控程序设置。
五、 关闭方法和数据处理
[注意事项 ]
1. 差热单元:电炉启动后,量程转到相应量程,关闭时,量程转到短路后再关闭电。
2. 调零:在短路状态下调零。
3. 移位:PC 上 DTA 是否在 0 左右,如果不在,用移位调到 0 左右,此时量程打到相应 量程。
4. 斜率调整不要动,始终为 7。
5. 低温段,作第二次时要把起始温度降到 50 ℃以下,否则有 0.5℃偏差。
范文五:光折变晶体材料中的光生伏打效应
实验十七 光折变晶体材料中的光生伏打效应
光折变晶体内载流子被激发后有三种迁移方式:扩散、漂移(当有外电场存在时)和光生伏打效应。由此可见,光生伏打效应也是光折变效应的重要起因之一。对于具有异常光生伏打效应的铁电氧化物晶体材料来说,当有光照时,晶体材料内会产生很高的光生伏打电场,而光生伏打电场将会直接影响到晶体材料内载流子的迁移过程和内部空间电荷场的形成及大小,进而影响到晶体材料中的光折变效应和光折变性能。研究铁电氧化物晶体材料的光电导和光生伏打效应对弄清晶体材料中载流子的迁移过程和载流子被俘获后形成的空间电荷场的行为有着重要意义。
一、实验目的
1. 了解光生伏打效应原理
2. 了解光折变晶体内载流子被激发后迁移方式 3. 了解暗电导和光电导
二、实验原理
1 光生伏打效应
在不施加任何外场的情况下,当铁电晶体如:LiNbO3,LiTaO3[68],KNbO3,
BaTiO3,SBN,KNSBN等受到均匀光照后,晶体中会有光生电流产生,电流方向沿着晶
体极化轴方向,其值正比于光强。此电流称为光生伏打电流,此现象称为光生伏打效应。其电流密度可表示为:
Jph??kI (1) 其中:I为光强,?为晶体对光束的吸收系数,k为表征晶体和吸收中心的常数或称为Glass常数。
光生伏打电流是在均匀光辐照条件下的铁电体内产生的,它不需任何外加电场,且总是沿着自发极化方向。 短路时,均匀光照下的铁电体内将有稳定的电流流过。开路时,光生伏打电流对晶体电容器充电,从而形成宏观电场,瞬态电流密度为:
J?Jph+?E=-k?I+?E (2) 其中,???d??ph,?d、?ph分别为无光照和有光照时的电导率,即:暗电导和光电导。经麦克斯韦驰豫时间后,J=0。由此可得沿着自发极化方向的光生伏打电压为: V?Ephd=
k?I
?d??ph
d (3)
d为晶体沿着极化方向的长度。
对于半导体材料的光生伏打电压,一般地说来,不管其机制如何,都不超过材料本身的禁带宽度(大约为几伏)。但在铁电氧化物晶体中情况却有很大不同,同常出现在晶体极轴
25
两端的光生伏打电压高达10?10 V,此值远大于晶体材料的禁带宽度。因此这是一种异常的光生伏打效应。这种效应的主要特点是光生伏打电流是在均匀光照的均匀铁电体内产生的,即它是在既无外场作用,又无内部载流子梯度的情况下发生的,其方向是沿着自发极化方向。从微观上讲,这应归结为电子的跃迁几率和电子的自由程在极化方向上具有某种不对称的缘故。如果铁电晶体内的杂质中心势分布是非对称的,那么光激发电子从杂质中心向导带跃迁也是不对称的,由此导致光生电子在正负极轴方向上的运动几率不同,也就导致了光生伏打电流的产生。
2 实验测量及结果
(1) 样品制备和实验过程
实验中,首先沿着XYZ方向切割出一定大小的钾钠铌酸锶钡或铌酸锂晶体样品,然后在垂直于C轴的(001)面上渡上金电极,并加电场进行极化,最后对平行于C轴的晶面进行抛光、加工得到所需的实验测试样品。在实验测试中,采用532nm固体激光照射到晶体样品的抛光面上。用超微电流计(10?14A)测量电路中的电流,直流电源串接在晶体和超微电流计之间。为了保持样品表面干燥和清洁,将样品放在一个干燥的样品盒中,而且每次测量前都用酒精和丙酮擦洗样品表面,消除表面电流对测量结果的影 响。图1给出了实验测试过程示意图。
(2) 光伏电流的动态特性
在一定光照条件下,测量钾钠铌酸锶钡晶体样品短路光生电流的动态响应,结果见图2。电流的正负是以样品的自发极化正负方向来确定的。
由图2可以看出:短路光生电流的动态响应的正负瞬态极大值基本相当,有时会出现负极略大的现象;正电流的持续时间较长(十多分钟)而负电流的持续时间较短(约3分钟),其持续时间显然都比麦克斯韦时间(秒量级)长得多。
图2 光生伏打电流的动态响应曲线
(3) 暗电导和光电导
实验分别在没有光照(全暗)和不同光强照射条件下用伏安法测量电流密度—电场强度(J—E)曲线。图3 给出了实验测量的纯的和掺Ce:KNSBN晶体样品的电流密度和电场关
超微电流计
直流电源
图1 光生伏打效应实验测量示意图
2
系曲线。其中□、■、●和○分别对应于光强为0、170、 330、550mw/cm的情况。
(a) 纯的KNSBN (b)掺Ce :KNSBN
图3 电流密度和电场关系曲线
从样品的J—E曲线可以看出,它们基本成线性关系.用直线拟合的方法,根据直线的斜率求出电导;根据直线与J轴和E轴的截距分别求出光生伏打电流和光生伏打电场。表1 列出了有关的实验结果。由表1可以看出:KNSBN 晶体按光电导和光生伏打电场大体可分为两类:一类有很低的光电导和很高的光生伏打电场,如:掺Cu、Ce:KNSBN 晶体样品;另一类则有高的光电导和非常低的光伏打电场,如:纯的和掺Ni、Cr :KNSBN 晶体样品。
*330
(4)光生伏打效应与光强关系 实验中,钾钠铌酸锶钡晶体的光生伏打电场与光强有关。图4 给出了掺Ce:KNSBN晶体光生伏打电场随光强的变化。由图4可以看出掺Ce:KNSBN晶体光生伏打电场随光强增加而增大,最后趋于一饱和值。
图4 掺Ce:KNSBN晶体光生伏打电场随光强变
三、实验仪器及用具
光生伏打实验激光器、衰减片、偏振器,超微电流计等
四、实验内容及步骤
1. 测量光折变晶体光伏电流的动态特性
在一定光照条件下,测量光折变晶体短路光生电流的动态响应。 2. 测量光折变晶体暗电导和光电导
实验分别在没有光照(全暗)和不同光强照射条件下用伏安法测量电流密度—电场强度(J—E)曲线。
3. 测量光折变晶体光生伏打效应与光强关系
测量光折变晶体的光生伏打电场与光强有关。
注意事项:激光器功率很高,操作过程要认真,防止激光反射斑射入人眼,更不可直视激光,确保人眼及人身安全。
五、实验思考与讨论
1、 何谓光生伏打效应和异常的光生伏打效应? 2、 光折变晶体内载流子被激发后有哪几种迁移方式?
参考文献
1. V.M. Fridkin, Photoferroelectrics (Springer-Verlag, 1979); 中译本,光铁电体,
肖定全译(科学出版社,1987)
2. 张曰理,钾钠铌酸锶钡晶体生长及其光折变性能研究,中山大学博士论文,1997