光折变表面波的调制

光折变效应是指在非线性介质中，通过光照的作用导致介质的折射率发生变化的现象。这种效应在非线性光学领域中具有重要意义，因为它可以用于制造光波导、光栅以及实现光学相位共轭等应用。而光折变表面波（Photorefractive Surface Wave，简称PRSW）是一种特殊的光折变现象，其特点是能够将能量聚集在晶体表面很薄的一层内，从而提高光折变器件的响应速度，并且不需要预先制备波导。 本文由任相魁、张天浩等人撰写，研究了光伏效应和外加电场对PRSW的调制作用。光伏效应指的是光生伏打效应，即光照能够在光电器件中产生电动势，这一效应在太阳能电池中被广泛应用。在PRSW中，光伏效应对波的空间频率产生了显著的影响，能够降低空间频率。外加电场则是指在光折变晶体中施加外部电场，这一操作同样能够调制PRSW的特性。 研究发现，光伏效应和外加电场能够将高阶模（具有高空间频率的PRSW模式）转化为低阶模（具有低空间频率的PRSW模式）。低阶模有利于能量的聚集，对于导波更加有利。文章通过理论模型，构建了数学方程来描述在光折变晶体（如LiNbO3）和金属界面形成的PRSW。研究中还考虑了PRSW的传播方向、界面法线方向以及晶体的光轴方向，建立了包含扩散、漂移和光伏效应的非线性模型。 文章利用Runge-Kutta法对PRSW的稳态解进行数值模拟，展示了PRSW的空间频率随着传播常数的减小而降低的现象，并进一步分析了光伏效应和外电场对PRSW的具体调制作用。研究结果表明，在没有外电场和光生伏打效应的情况下，扩散运动是载流子的主要运动形式，PRSW的波形将会无衰减地振荡下去。而外电场和光伏效应只对扩散作用激发的PRSW具有调制作用。 通过调节光伏效应和外加电场，可以使高阶模转换为低阶模，而当外加电场超过一定的阈值时，PRSW将被破坏。这一点对于实际应用中控制PRSW的模式转换和器件的操作具有重要指导意义。通过这些发现，研究为人们利用光伏效应和外加电场把高阶模转化为低阶模提供了理论依据，对于设计光折变表面波的器件以及改进相关光电器件的性能具有重要的理论和实践价值。