单晶硅非线性光学性质的研究论文.docx

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单晶硅非线性光学性质的研究论文

2012届本科毕业论文

题目：

单晶硅非线性光学性质的研究

学院：

物理与电子工程学院

专业班级：

物理08-7班

学生姓名：

默默

指导教师：

教授

答辩日期：

2012年5月日

单晶硅非线性光学性质的研究

摘要：

文章采用

技术、单光束扫描法,从非线性折射率、非线性吸收系数、非线性极化率等角度,对单晶硅以及多孔硅非线性光学性质进行深入的研究，以便为新材料的深入研究提供一些有价值的参考。

其各章主要内容如下：

首先，介绍非线性光学现象、研究的目的和意义，以及半导体及其纳米复合物的非线性光学效应和研究进展。

其次，阐述单晶硅的特性、

技术，并就

技术的角度对单晶硅非线性光学参数，即非线性折射率、非线性吸收系数、非线性极化率等进行测量。

最后，介绍多孔硅非线性光学，从实验的角度认识多孔硅结构与发光机理的非线性，应用单光束扫描法对三阶非线性光学性质进行实验分析。

关键词：

单晶硅；非线性光学；多孔硅；Z-scan技术；单光束扫描法

Thestudyofnonlinearopticalproperties

ofMonocrystallinesilicon

ABSTRACT：

ThispaperadoptsZ-scantechnology,singlebeamscanningmethod,fromtheangleofnonlinearrefractiveindex,nonlinearabsorptioncoefficient,nonlinearpolarizability,etc,furtherresearchhavebeenstudyingforthenonlinearopticalpropertiesofMonocrystallinesiliconandPoroussilicon,sothatitcanprovidesomevaluablereferenceforthefurtherresearchofnewmaterials.Itsmaincontentchaptersareasfollows:

Firstofall,introducethenonlinearopticalphenomena,thepurposeoftheresearchandmeaning,and,thenonlinearopticaleffectandresearchdevelopmentofthesemiconductoranditsnanocomplex.

Secondly,thispaperexpoundsthecharacteristicsofMonocrystallinesilicon,Z-scantechnology,andthemeasurementoftheNonlinearopticalparametersofMonocrystallinesiliconthroughtheZ-scantechnology,suchasthemeasurementofnonlinearrefractiveindex,nonlinearabsorptioncoefficient,nonlinearpolarizability,etc.

Finally,thispaperintroducesthenonlinearopticalofporoussilicon,fromthepointofviewofexperimentknowtheporoussiliconstructureandthenonlinearofemittingmechanism,andthepaperanalysisestheThreeordernonlinearopticalpropertiesofPoroussiliconthroughtheexperimentofSinglebeamscanningmethod.

Keywords:

monocrystallinesilicon；nonlinearoptics；poroussilicon；Z-scantechnology；singlebeamscanningmethod

目录

第一章非线性光学

1.1非线性光学现象

1.2非线性光学性质研究的目的和意义

1.3半导体及其纳米复合物的光学非线性

1.3.1半导体材料的光学非线性

1.3.2半导体纳米复合物的非线性光学效应

第二章单晶硅非线性光学

2.1单晶硅的特性

2.2Z扫描技术的原理

2.3Z扫描技术的理论计算

2.3.1非线性折射率

2.3.2非线性吸收系数

2.3.3三阶非线性极化率

2.4测量单晶硅的非线性光学参数

2.4.1高斯光束

扫描技术（典型透射

技术）

2.4.2双色光Z扫描技术

2.4.3双光束时间分辨率

扫描技术

2.4.4遮挡

2.4.5反射

第三章多孔硅非线性光学

3.1多孔硅

3.2多孔硅结构与发光机理的非线性光学研究

3.3多孔硅1064nm波长处三阶非线性光学性质

参考文献

致谢

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第一章非线性光学

1.1非线性光学现象

物质在强光如激光束的照射下，其光学性质发生了变化，而这种变化又反过来影响了光束的性质，研究这种光与物质的相互作用就是非线性光学的内容。

激光问世之前，人们对光学的认识主要限于线性光学，光束在传播过程中频率不会改变，介质的主要光学参数，都与入射光的强度无关。

激光问世以后，在激光这一强光作用下，光学参数会发生变化，非线性光学效应来源于分子与材料的非线性极化，这种在激光作用下发生的异于线性光学范畴的现象属于非线性光学现象。

非线性光学研究的内容可概括为两个方面：

一方面是非线性光学现象与效应的发现及它们产生的机理和规律性的研究、非线性光学新技术的发展和新材料的发现；另一方面是把非线性光学效应和技术应用到相关领域，如：

倍频技术在激光核聚变中的应用，光学相位共轭技术在改善激光束质量中的应用，自适应光学技术、集成光学、光学信息存储与实现全息显示技术等。

我们知道当较弱的光电场作用于介质时，介质的极化强度P与光电场E成线性关系：

其中

为真空介电常数

为介质的线性极化系数。

在强光作用下，光电场所感应的电极化强度与入射光电场强度的关系为：

P（γ,t）=

·E+

·

+

·

+…（1．1）

其中

为真空中的介电常数，

为介质的线性极化率，通常情况下

为复数张量。

由张量定义可知，只有那些非中心对称的分子和晶体，才能显示出二阶非线性光学效应，而中心对称的分子和晶体，则显示出三阶非线性光学效应。

在线性光学范畴内，配合电磁波在介质中的波动方程，可以解释为介质中存在的吸收，折射和色散等效应。

相应的与二阶非线性极化张量

有关的效应为二阶非线性效应，与三阶非线性极化张量

有关的效应为三阶非线性效应等等，还有更高阶得非线性效应，我们主要就三阶非线性效应进行研究。

总的三阶电极化率可表示为：

（

）=

（1．2）

其中

为三个不同的入射光场，三阶非线性光学特性涉及三束入射光场，可产生许多不同的三阶非线性光学过程，其中包括三次谐波

，Raman和Brillouin散射

以及三波和四波混频

过程。

非线性光学材料的应用非常广泛，如光开关，光存储，光通讯等，有望在光信息领域得到应用的三阶非线性光学材料必须具备下列性能：

（1）具有较高的三阶非线性极化率系数

。

当材料的三阶非线性极化率系数

达到并超过

esu时，适用于光学信息的并行处理：

但对于光学信息的串行处理，则需要材料具有更高的三阶非线性极化率系数

。

（2）具有较快的时间响应。

当材料的光学非线性响应小于皮秒甚至达到飞秒量级时，才能充分体现全光信息处理高速度的优良特点。

（3）具有较好的物理、化学和光化学稳定性，良好的物理机械性能，较高的光学损伤阈值，这是材料应用的重要前提之一。

（4）有较低的光学损耗。

较低的光学损耗是光学器件得到应用的重要要求。

（5）成本低廉，加工性能优良。

光信息处理器件要求具有性能优良且价格低廉的薄膜或线材，要求材料具有优良的加工性能。

1.2非线性光学性质研究的目的和意义

具有快的非线性响应、大的非线性光学系数、好的环境稳定性、可加工性和高品质的理化性能一直是非线性光学材料研究的重点，并在无机、有机等领域都取得了较大的进展，研究、开发出了许多具有代表性的非线性光学材料，人们对半导体纳米材料的研究开辟了人类认识世界的新层次，也开辟了材料科学研究的新领域。

总的看来，半导体纳米材料的光学性能研究已经取得了很大进展，人们己建立起了半导体纳米微粒中电子能态的理论模型，在材料的线性光学和非线性光学性能方面都开展了大量的工作，获得了很多有重要意义的成果。

但是还有许多问题需要进一步深入研究。

然而，由于半导体材料本身存在响应速度慢，线性和非线性吸收产生的热效应影响性能，尤其是半导体纳米颗粒的稳定性等缺点，导致其在有些方面的应用受到一定限制。

而有机、无机复合材料则可以综合两者的优点，成为目前非线性光学材料研制工作中势在必行的趋势，具有很广阔的前景。

作为这类材料的代表，半导体纳米复合材料最近引起了越来越多的人们的注意，但这类新材料的研究时间还较短，还有许多问题需要进一步深入研究，如这类新材料的制备技术不多，不够完善，半导体纳米颗粒和有机聚合物间的作用形式作用机理还要不断完善，非线性光学的增强机制还需要进一步的探讨。

本文试图通过研究该种纳米聚合物的线性和非线性，为完善该类材料的非线性提供有价值的实验和理论上的参考，通过研究部分半导体纳米复合物的非线性，为寻找大的非线性光学材料提供方向。

本论文主要研究了不同半导体纳米颗粒浓度，不同退火温度，不同微结构等对材料的线性和非线性光学性质的影响，研究了量子尺寸效应、表面效应、不同实验条件等对材料的非线性光学性质的影响，发现其非线性现象和规律，并探究其原理和机制，加速该类材料的实用化进程。

1.3半导体及其纳米复合物的光学非线性

1.3.1半导体材料的光学非线性

对于半导体激光器、发光二极管等半导体光子器件，人们要求它们要有很好的输入输出线性。

但在一定的条件下，许多半导休材料却表现出很强的非线性效应。

要想在半导体中得到非线性效应，除了半导体材料本身应具有较大的非线性极化率

外，还必须对其施以足够的场强。

实验表明，在有些半导体中，当入射光子能量与半导体材料禁带宽度相近

时，可以通过共振效应在半导体中激发起很强的高阶非线性效应。

在具有反演中心的对称晶体结构中（例如具有金刚石结构的

和

、具有岩盐结构的

等，它们都是中心对称的）当电场

的符号反向,要求极化强度

的符号改变，只能是

因而不存在二阶非线性。

但是不论在中心对称还是在非中心对称的半导体中，都存在三阶非线性效应。

物质的三阶非线性效应与其结构对称性无关。

也就是说，按照品体的对称性质，半导体材料都能表现出三阶非线性光学效应。

与其它材料相比，半导体材料的非线性极化不仅与其晶格振动有