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超快激光实现了不可逆光敏性

2008-08-07 14:31
论恒
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    英国南安普顿大学光电子学研究中心(ORC)和芬兰约恩苏大学的研究人员首次展示了不可逆光敏性。[1]这种效应可能对光学数据存储、激光加工和医学外科学产生重要影响。

 

    光敏性是材料的一种性质,很多光学现象与光学应用(从光合作用到摄影技术、再到超快激光写入等)都与光敏性有关。传统观点认为,在均匀介质中,当光的传播方向逆转时,介质的光敏性不变。然而,此项新的研究工作表明,如果在垂直于光束的轴上,从相反的两个方向分别测量,逆转铌酸锂(LiNbO3)晶体中的光束传播方向,会导致写入晶体的结构发生镜面反转,而不是保持不变。

 

    这个实验是利用一台再生放大的锁模Ti:sapphire激光器完成的,它输出波长为800nm、脉冲重复频率为250kHz的150fs激光脉冲。线偏振的激光束经聚焦后光斑尺寸为2μm,位于厚度为1mm的LiNbO3样品表面下方150μm处。通过使晶体横向移过光束将线条写入样品,高能量的激光脉冲使得沿着这些线条的折射率发生变化。这种变化的精确性质取决于处于微焦量级的脉冲能量。该研究小组惊奇地发现,随着脉冲能量的提高,样品呈现出了一种方向性。如果激光束的轴线为z轴,则折射率的变化取决于晶体沿y方向还是-y方向移动。当写入光束的传播方向从z反转为-z时,结构的变化就会呈现出一种镜面改变。利用皮秒激光光源进行进一步的实验表明,利用这些较长的皮秒脉冲并不会产生这种不可逆的效应。该研究小组认为,这是由于利用飞秒脉冲可以获得更高的光强,并且对样品的损伤最小。

 

 

    方向性依赖 


    在此之前,研究人员曾经注意到,由于脉冲波前强度倾斜而导致玻璃中的方向对称性。这是类似于雪梨效应(snowplow effect)的一种现象。然而与玻璃中不同的是,在LiNbO3中写入信息的方向性似乎取决于晶体本身的各向异性,并且不需要倾斜的脉冲。这种效应取决于晶体相对于光束的移动方向和光线的传播方向。只有当聚焦的光束沿着y轴而不是沿着x轴移动时,写入的结构才具有强烈的各向异性。

 

    该小组对这种效应进行了解释。强激光脉冲产生了一个寿命短暂的等离子体区。晶体的各向异性意味着从这个等离子体区发出的束流各向异性地流动。反过来,这又产生一种热的各向异性,从而影响后续的脉冲。由于当热量流动的方向与光束移动的方向相同时,晶体的变热更加强烈,因此很明显存在着方向依赖性。

 

    “传统观念认为,当反转光束的传播方向时,均匀介质的光敏性不发生变化,或者在光的辐射之下这样的介质发生反应的总量不发生变化。但是我们的研究结果向这种观念提出了挑战。”光电子学研究中心的教授Peter Kazansky说,“这种性质与光合作用、激光加工等很多光学现象和光学应用有关。另一方面,非中心对称的介质(例如压电、铁电和手征性材料等)在光学、电子学和生物学中同样具有很多应用。不可逆光敏性增加了一个新的参数——光的传播方向,它可以用于控制光与这些材料之间的相互作用。”

 

    该小组目前的演示与超快激光写入有关,现在他们正在寻找这种现象在数据存储、光学操纵、光学捕获和激光外科医疗等方面的应用。

 

    参考文献
1. W. Yang, P.G. Kazansky, and Y.P. Svirko, Nature Photonics 2, 99 (2007); doi:10.
1038/nphoton.2007.276

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