多場(chǎng)作用下電光材料光傳輸特性與電調(diào)控機(jī)制研究.pdf

1、“電光效應(yīng)”是指在外加電場(chǎng)作用下材料的折射、透射特性發(fā)生變化，從而使得介質(zhì)中傳輸?shù)墓獠ǚ较?、振幅、相位、偏振特性發(fā)生變化。具有這類屬性的材料通常稱作“電光材料”。利用電光效應(yīng)，通過調(diào)節(jié)外電場(chǎng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光的透過性、反射性調(diào)控，即“電光調(diào)控技術(shù)”。該技術(shù)已在光通信、光傳感、光顯示等技術(shù)領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用，并在電致變色、智能玻璃、太陽能光伏、液體微透鏡等領(lǐng)域顯示了誘人的應(yīng)用前景。然而這些應(yīng)用無法回避的一個(gè)問題是“熱問題”或“溫度效應(yīng)問題”。原因

2、是所有電光材料同時(shí)具有“熱光效應(yīng)”，即溫度及溫度梯度變化也會(huì)導(dǎo)致折射率或吸收系數(shù)變化，從而導(dǎo)致光傳輸特性變化?！盁峁庑?yīng)”往往是有害的，極大地限制了電光調(diào)控技術(shù)的應(yīng)用，使得其適應(yīng)復(fù)雜熱環(huán)境的能力不足，適用溫度范圍往往比較苛刻。為削弱或消除溫度效應(yīng)問題，前人提出了諸多方案，如散熱控溫方式、補(bǔ)償器件方式、低熱光系數(shù)材料替代原有材料的方式等。本文致力于提出一種新的思路來解決這一問題，即利用材料的電光效應(yīng)來調(diào)控?zé)峁庑?yīng)，也即通過采用外加電場(chǎng)方式

3、調(diào)控電光材料光輻射傳輸特性，從而降低或消除溫度效應(yīng)的危害。
　　論文的研究?jī)?nèi)容是圍繞著電光效應(yīng)調(diào)控?zé)峁庑?yīng)這一中心目的而展開，研究工作分為兩個(gè)方面，其一是外加電場(chǎng)作用下電光材料光熱耦合作用機(jī)理及光傳輸特性規(guī)律；其二是電光效應(yīng)調(diào)控?zé)峁庑?yīng)的基本機(jī)制和模型。根據(jù)電光效應(yīng)、熱光效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)制的不同，本文研究針對(duì)三類典型材料而展開：電介質(zhì)電光材料鈮酸鋰、半導(dǎo)體型電光材料硅晶體和導(dǎo)體型電光軟材料離子液。
　　針對(duì)電介質(zhì)電光材料鈮酸鋰，本

4、文首先開展了高斯激光雙折射傳輸過程光熱耦合效應(yīng)分析研究，求解過程中考慮入射光強(qiáng)度、入射波長(zhǎng)、熱光效應(yīng)、環(huán)境溫度、表面換熱系數(shù)、材料厚度等影響因素。對(duì)于入射波長(zhǎng)處于透明波段的激光傳輸問題是通過直接求解電磁場(chǎng)頻域方程獲得出射光參數(shù)；當(dāng)入射光波長(zhǎng)處于吸收波段時(shí)，對(duì)電磁波動(dòng)方程和能量方程的耦合求解獲得溫度場(chǎng)和出射光參數(shù)，其中激光吸收熱沉積項(xiàng)以修正的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒o出，并考慮為能量方程中的熱源項(xiàng)。通過討論以上各類影響因素對(duì)出射光波形的影響規(guī)律，提出一種

5、通過電光效應(yīng)來調(diào)控?zé)峁庑?yīng)的方法。在不考慮外加電場(chǎng)對(duì)溫度場(chǎng)的影響的條件下，給出將不同入射光強(qiáng)和不同晶體厚度的出射光參數(shù)調(diào)整回額定工況時(shí)所需的外加調(diào)控電場(chǎng)和環(huán)境溫度及表面換熱系數(shù)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。分析表明：在不考慮外加電場(chǎng)對(duì)溫度場(chǎng)影響的情況下，文中獲得的環(huán)境溫度—外加調(diào)控電場(chǎng)、表面換熱系數(shù)—外加調(diào)控電場(chǎng)的關(guān)系（即所謂電熱調(diào)控模型）基本呈線性規(guī)律。在上述基礎(chǔ)上，為考慮外加電場(chǎng)、多次光折射/反射對(duì)光熱傳遞過程的影響，論文進(jìn)一步開展電光熱耦合條件下

6、高斯激光在鈮酸鋰晶體中的雙折射傳輸以及電熱調(diào)控問題的分析研究。研究過程中考慮熱光的雙向耦合、外加電場(chǎng)對(duì)光傳輸和溫度場(chǎng)的影響，采取全耦合的思路求解束包絡(luò)型的電磁波動(dòng)方程和能量方程，其中光吸收產(chǎn)熱項(xiàng)通過電磁能耗散密度計(jì)算并代入能量方程的源項(xiàng)，通過耦合求解獲得外加電場(chǎng)強(qiáng)度、入射光強(qiáng)度、入射波長(zhǎng)、熱光效應(yīng)、環(huán)境溫度、表面換熱系數(shù)、材料厚度等因素對(duì)出射光特性參數(shù)的影響。討論了不同條件對(duì)o光e光偏折角和離散角的影響，給出了全耦合條件下外加電場(chǎng)和環(huán)境

7、溫度及表面換熱系數(shù)間的電熱調(diào)控關(guān)系，并對(duì)電熱調(diào)控能力進(jìn)行了適用性分析。分析表明：考慮外加電場(chǎng)、多次光折射/反射的影響時(shí)，電熱調(diào)控關(guān)系不再是線性規(guī)律。
　　針對(duì)硅基半導(dǎo)體材料，論文通過引入泊松方程和載流子連續(xù)性方程來計(jì)算載流子輸運(yùn)過程濃度分布，利用德魯?shù)?洛倫茲公式和K-K關(guān)系式考慮載流子濃度變化對(duì)于光折射率和吸收系數(shù)的影響，并采取和鈮酸鋰光傳輸問題研究相同的方法求解電磁波動(dòng)方程和能量方程，耦合求解并分析電光熱三者耦合作用下硅基半導(dǎo)

8、體介電屬性及光傳輸行為隨外加電壓、載流子初始濃度、換熱系數(shù)等影響因素的變化規(guī)律。研究指出了半導(dǎo)體P區(qū)表面反射光電場(chǎng)模值隨外加電壓降低而升高，隨換熱系數(shù)的增大而降低這一規(guī)律?；谠摍C(jī)制，論文討論了對(duì)反射光強(qiáng)空間分布進(jìn)行電場(chǎng)調(diào)控的方案。
　　針對(duì)導(dǎo)體型電光軟材料離子液，由于其相關(guān)的電光效應(yīng)、熱光效應(yīng)的物理機(jī)制、理論模型、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和測(cè)試手段方面均非常缺乏。本文采取以實(shí)驗(yàn)觀測(cè)為主、定性解釋為輔的研究思路，以獲得離子液體在常溫下的電光響應(yīng)特

9、性規(guī)律為首要目的。為此，論文開展了外加電場(chǎng)作用下離子液體光折射/透射特性的實(shí)驗(yàn)研究，獲得了五種不同咪唑型離子液體可見-近紅外光譜折射率和吸收系數(shù)隨外加電場(chǎng)的變化規(guī)律，并利用電極化理論結(jié)合載流子輸運(yùn)理論進(jìn)行了定性解釋。此外，針對(duì)電極附近微區(qū)內(nèi)離子液體附面層效應(yīng)，設(shè)計(jì)了外加電場(chǎng)下離子液體附面層透射特性的紅外顯微測(cè)量方案，以甲基丙基咪唑碘鹽為對(duì)象，測(cè)量分析了外加電場(chǎng)、空間位置對(duì)其光透特性的影響規(guī)律。結(jié)果顯示出：與硅基半導(dǎo)體中存在的等離子色散效