两中心模型中光折变晶体吸收系数强度和温度特性理论研究
第 20 卷 第 3 期 运城高等专科学校学报 Vol . 20 No . 3 2002 年 6 月 J une . 2002 Journal of Yuncheng College
两中 心 模 型 中 光 折 变 晶 体 吸 收 系 数
强度和温度特性理论研究
?? 吉选芒 袁建法
( ) ?运城高等专科学校 物理系 ,山西 运城 044000 ?晋东南师范专科学校 物理系 ,山西 长治 046012
摘 要 :在光学研究中对两中心模型中光折变晶体吸收系数的强度和温度特性进行了参数的理论分析 。结
果显示 ,在两中心模型中 ,吸收系数有着复杂的强度和温度特性 。浅能级和深能级的参数决定着它们对吸收系
数特性的贡献 。
关键词 :光折变晶体 ;吸收系数 ;强度特性 ;温度特性
() 文章编号 :1008 - 8008 200203 - 0001 - 03 中图分类号 :O153. 1 文献标识码 :A
一 、引言
光折变晶体由于在图象处理 ,光信息存储 ,光信号放大和光学相位共轭等方面的应用前景 ,从而引起人 们对其广泛关注 。晶体材料的各种参数决定者其光折变性能的优劣 。其中吸收系数就是重要参数之一 。近
1 - 4 些年来 ,人们相继发现在一些铁电光折变晶体 Fe :LiNbO、KNbO、BaTiO等中存在着光诱导吸收现象,姑3 3 3 5 ,6 且称为其为吸收系数的强度特性 。同时又发现温度对晶体的吸收系数有较大影响,这种情况又称为吸收 3 ,4 系数的温渡特性 。要描述这种特性 ,用传统的单能级带导模型遇到困难 。人们又提出了两中心模型,在 这种模型中存在着两个光折变中心 ,一个深能级和一个浅能级 ,在带隙中引起不同的掺杂中心 。本文中 ,我 们对两中心模型中光折变晶体吸收系数的强度和温度特性进行了参数理论分析 。得出了一些十分有意义的 理论结果 。
二 、理论模型和公式
图 1 所示为两中心模型能级示意图 。其中 ,N表示不参与 F
竟争的深陷阱密度 ,N表示总的深陷阱密度 ,M表示浅陷阱密 D T
度 。在两中心模型中 ,考虑深能级和浅能级的共同影响后 ,吸收
7 ααν) να( 系数可以表示为: = hS N+ S- SM= h SN+DDF T Do DDF I
()1
ν其中 h是光子的能量 ,S和 S分别是深能级和浅能级的 D T
光电离截面 ,N= N- N是总的深陷阱密度 N与不参与竞争 DF D F D
() 深陷阱密度 N之差 。M是参与竟争的浅陷阱密度 。1式中的 F 0
第一项是当光强较低时 ,没有电荷从深能级转向浅能级时的吸
() ν() α收系数 。1式中的第二项= hS- SM表示光强度吸收系 I T D0
数 ,既用来描述吸收系数的强度特性公式 。M的表示式为 : 0
1 ) () ) (( ( ( N+ M+ N- { P IN+ P IM= 0 DF TF 0 DF 0 ( ) 2P I- 1 0 1 2 2 ()) ) ( ) )( 2 M+ N]- 4P IP I- 1 N M} TF 00DFr
γ SI D 0 T) ( ()3 P I= 0 βγS I+ D 0 0 D
βγγ其中 , 是浅能级在室温下的热激发几率 , 和是电荷到深能级和浅能级的复合率 。影响 0 D T
特性有两个主要因素 ,其一是 N随温度的增大而增大 ,在空穴占主导地位的光折变晶体中 。深能 F
能级以上 。因此 ,在暗光区 ,不参与竞争的深陷阱密度 ,随温度的增加而增加也服从费米 —狄拉克函
1 ( ) ()f E= 4 ( ) exp E - E/ KT+ 1 FB
其中 ,E 是深能级大小 ,E是费米能级 。在理论分析中 ,我们选取 E - E= 0. 2ev 。 F F
β 影响温度特性的第二个因素是浅能级的热激发速率随温度的变化关系 ,其表达式可写为 :
()ββ( )5 =exp - E/ KT 0AB
ββ其中为常数 ,E是浅能级热动能的大小 ,分析中取 10Hz ,E= 0. 7ev 。 0 A 0 A
三 、理论分析
() α 图 2 给出了利用 1式中的第二项计算出的强度吸收系数随激光强度 I在不同的 S下的变 I 0 T 线 。计算中假设 S> S,即认为浅能级的光电离截面大于深能级的光点离截面 。从图中我们可以 T D
α同的 S条件下 , 随 I变化趋势一致 ,即随着 I的增加 ,强度吸收系数单调增加 。当激光光强足 T I 0 0
α于饱和 。在相同的 I下 ,S大的对应的就越大 。这说明在 s> s条件下 ,浅能级的光电离截面 0 T I T D
α能级激发的电荷愈多 ,所对应的愈大 。 I
() α图 3 给出了利用 1式中的第二项计算出来的强度吸收系数随激光强度 I在不同的 S下 I 0 D 系 。计算中假设 S> S,即认为深能级的光电离截面大于浅能级的光电离截面 。由图可见 ,在不 D T
αα件下 , 随 I变化趋势相一致 。即随着 I的增加 , 单调减少 ,在同一 I的条件下 ,S大的对应的 I 0 0 I 0 D 值较大 。在这种情况下 ,深能级的光电离截面起着决定因素 。
() () () α图 4 给出了利用 1、4和 5式计算的吸收系数随温度 T 在不同的 I下的变化关系 。本图 0
αα设 S> S。从图中可以看出在不同的 I下 , 随 T 变化的趋势是不同的 。当 I较大时 , 随 T 的变 D T 0 0
αα先增后减 ,中间段有一极大值 。而当光强较小时 , 随 T 的增加而单调减小 。
α图 5 给出了利用和图 4 相同的公式计算得到的随 T 在不同的 I下的变化关系 。本图的计算中假设 S 0 D
αα > S。从图中我们可以看到 ,在不同的 I下 , 随 T 变化趋势相一致 。即随 T 的增加而单调减小 。T 0
四 、结论
由本文理论研究结果表明 ,在两中心模型中 ,吸收系数的强度特性和温度特性有着复杂的行为 。在强度 αα特性中 ,当 S> S, 随 I的增加而单调增加 。当 S> S, 随 I增加而单调减小 。这说明在强度特性中 。 D T I 0 D T I 0
α深能级和浅能级光电离截面大小在强度特性中起着决定性的作用 ,而在温度特性中 ,当 S> S, 随 T 增加一 D T
αα般为先增后减 。只有光强 I非常小时 , 随 T 增加而单调减小 。而当 S> S, 随 T 增加而单调减小 。以上 0 D T
这些理论结果对认识光折变晶体的内部结构是十分有益的 。
参 考 文 献 :
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【责任编辑 王金来】
Theoretical study of the intensity dependence
and temperature dependence a bsorption coeff icient
in photorefractive crystal at t wo - centre model
? ? J I Xuan - mang , YUAN J ian - fa
( ?Department of physics , Yuncheng college , yuncheng 044000 , China ;
) ?Department of physics , south - eastern S hanxi Normal College , Changzhi 046012
Abstract : The intensity dependence and the temperature dependence of absroption coefficient is studied theo2 retically for the two - centre photorefractive crystal . The results show that the intensity dependence and temperature de2 pendence have more complicated behaviors in two - centre crystals. the contribution of shallow and deep level depend2 ing on the paramter of shallow and deep level .
Key Words : Photorefractive crystal ;absroption coefficient ;intensity dependence ;temperature dependence .