СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ........................................................ 4
ГЛАВА 1. ПРОЦЕССЫ ФОТОИНДУЦИРОВАННОГО ПЕРЕНОСА ЗАРЯДА В СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКАХ. ДИНАМИЧЕСКАЯ ГОЛОГРАФИЯ В ФОТОРЕФРАКТИВНЫХ КРИСТАЛЛАХ............................ 11
1.1. Фотоиндуцированный перенос зарядов в сегнетоэлектрических кристаллах......................................................... 11
1.1.1. Процессы формирования поля пространственного заряда в сегнето-электрических кристаллах........................................ 11
1.1.2. Механизмы фотоиндуцированного переноса заряда в сегнетоэлек-трических кристаллах............................................ 13
1.2. Фоторефрактивный эффект в сегнетоэлектрических кристаллах.. 19
1.2.1. Экспериментальные исследования фоторефрактивного эффекта.............................................................. 19
1.2.2. Модели фоторефрактивного эффекта......................... 21
1.3. Фотоиндуцированное рассеяние света......................... 25
1.4. Динамическая голография в фоторефрактивных кристаллах...... 31
1.4.1. Запись голограмм в фоторефрактивных кристаллах........... 31
1.4.2. Особенности динамической голографии в фоторефрактивных кристаллах......................................................... 33
ГЛАВА II. КИНЕТИКА ИНТЕНСИВНОСТИ ФОТОИНДУЦИРОВАННОГО РАССЕЯНИЯ СВЕТА В КРИСТАЛЛАХ НИОБАТА ЛИТИЯ, ЛЕГИРОВАННЫХ ЖЕЛЕЗОМ И РОДИЕМ................................ 39
2.1. Экспериментальная установка и методика проведения эксперимента.............................................................. 39
2.2. Кинетика фотоиндуцированного рассеяния света в легированных кристаллах ниобата лития при различных интенсивностях пучка накачки 42
2.2.1. Расчет временных характеристик фотоиндуцированного рассеяния света в кристаллах 1ТЫЬОз:Ре и 1лМЬОз:Ш1........................ 42
2.2.2. Оценка фотопроводимости кристаллов ЫНЬОзгРе и ЫЫЬОз:Ш1 51
ГЛАВА III. УГЛОВОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ИНТЕНСИВНОСТИ ФО-ТОИНДУЦИРОВАННОГО РАССЕЯНИЯ СВЕТА В ЛЕГИРОВАННЫХ КРИСТАЛЛАХ НИОБАТА ЛИТИЯ.................................... 54
3.1. Экспериментальная установка и цифровой метод построения индикатрис ФИРС....................................................... 54
3.2. Построение и анализ индикатрис ФИРС в легированных кристаллах ниобата лития.................................................. 57
3.2.1. Индикатрисы прямого и обратного ФИРС в кристаллах иМЮзгГе и ЫЫЬ0з*.Ш1 при нормальном падении пучка накачки................. 57
3.2.2. Индикатрисы прямого и обратного ФИРС в ЫЫЬ03:Ге и 1лЫЬОз:Ш1
при различных углах падения пучка накачки...................... 66
ГЛАВА IV. ПРОСТРАНСТВЕННАЯ СТРУКТУРА СЕЛЕКТИВНОГО ФОТОИНДУЦИРОВАННОГО РАССЕЯНИЯ СВЕТА В ЛЕГИРОВАННЫХ КРИСТАЛЛАХ НИОБАТА ЛИТИЯ................................ 74
4.1. Селективное фотоиндуцированиое рассеяние света при нормальном падении пучка накачки.......................................... 74
4.1.1. Экспериментальное исследование селективного ФИРС в кристаллах ЫЫЬ03:Ш1 и ЫЫЬОз^е............................................. 74
4.1.2. Модель селективного фотоиндуцированного рассеяния света в легированных кристаллах ниобата лития.............................. 76
4.1.3. Расчет картины фотоиндуцированного рассеяния света в кристалле
1лМЮ3:Ш1....................................................... 79
4.2. Селективное фотоиндуцированиое рассеяние света для различных углов падения пучка накачки в плоскости хг....................... 83
4.2.1. Экспериментальное исследование селективного ФИРС в кристалле 1лЫЬ03:Ш1...................................................... 83
4.2.2. Моделирование селективного ФИРС в кристалле
1лЫЬ03:Ш1...................................................... 88
4.3. Селективное фотоиндуцированиое рассеяние света для различных углов падения пучка накачки в плоскости ху....................... 89
ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................... 95
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.............................................. 98
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время интенсивное развитие лазерной техники, волоконной и интегральной оптики открывает широкие возможности для применения сегнетоэлектрических сред в качестве элементной базы оптических систем обработки, передачи и хранения информации [1 -3].
К перспективным сегнетоэлектрическим кристаллам относится фоторефрактивный кристалл ниобата лития LiNbC>3, обладающий уникальным набором электрооптических, фотоэлектрических, нелинейнооптических свойств [1, 2, 4, 5]. Ценным качеством этого кристалла является и то, что его характеристики хможно изменять в широком диапазоне путем варьирования состава за счет легирования или изменения стехиометрии [5 - 7]. Отметим, что ниобат лития является рабочей средой для когерентно-оптических систем обработки информации (фурье-процессоры, устройства пространственной фильтрации изображений, корреляторы [8]), акустических линий задержек, устройств модуляции и преобразования частоты оптического излучения, тепловизионных приборов и датчиков ядерного излучения. За счет фоторсфрактивного эффекта (ФРЭ) в LiNbCb осуществляется запись поляризационно-фазовых голограмм, что позволяет использовать данный кристалл в устройствах голографической записи и хранения информации.
Впервые фоторефрактивный эффект (optical damage - оптическое повреждение) наблюдался в кристалле ниобата лития в 1966 году [9]. ФРЭ заключается в локальном изменении показателя преломления при прохождении через кристалл лазерного луча, обусловленном пространственным разделением фотоиндуцированных зарядов и возникновением электрических полей, которые и изменяют показатель преломления в освещенной области за счет электрооптического эффекта.
Одним из следствий ФРЭ является рассеяние оптического излучения на фотоиндуцированных мелкомасштабных неоднородностях показателя
4
преломления, называемое фотоиндуцированным рассеянием света (ФИРС). ФИРС как один из примеров значительной деструкции лазерных пучков представляет собой серьезный недостаток и является ограничивающим фактором для применения фоторефрактивных кристаллов.
Изучение особенностей ФИРС в легированных кристаллах ниобата лития актуально по следующим причинам. Исследование факторов, влияющих на кинетику и структуру рассеяния, способствует выяснению причин возникновения ФИРС, что позволяет выявить условия для его подавления. Кроме того, фоторефрактивные свойства ниобата лития в значительной мере определяются родом и концентрацией примесей, поэтому изучение ФИРС способствует получению дополнительной информации о влиянии примесей на свойства кристаллов.
Целью работы является изучение кинетики и индикатрисы фотоиндуцированного рассеяния света при различных условиях эксперимента и определение величин, характеризующих фоторефрактивный эффект в легированных кристаллах ниобата лития. Для достижения данной цели в работе были поставлены и решены следующие задачи.
1. Исследовать кинетику интенсивности ФИРС в кристаллах ниобата лития, легированных железом и родием, при различных интенсивностях пучка накачки.
2. Получить и проанализировать люкс-амперные характеристики кристаллов 1лМ)С)з:Ре и 1лИЬОз:Ш1, определить наиболее согласующуюся с экспериментальными данными по ФИРС модель фотоиндуцированного переноса заряда в кристаллах ниобата лития, легированных родием.
3. Разработать методику построения индикатрис ФИРС, основанную на обработке цифрового фотоизображения программными средствами.
4. Выявить особенности формирования индикатрисы неселективного (широкоуглового) ФИРС в направлении прошедших и отраженных
5
лучей в кристаллах ЫЫЪОзГРе и 1л№Юз:Ш1 при различных углах падения пучка накачки.
5. Провести анализ угловой зависимости коэффициента усиления ФИРС и оценить применимость существующих моделей ФИРС для описания фотоиндуцированного рассеяния света в кристаллах ниобата лития, легированных железом и родием.
6. Изучить особенности пространственной структуры селективного ФИРС в кристаллах ниобата лития, легированных родием, при различных углах падения пучка накачки.
7. В рамках модели четырехволнового взаимодействия сформулировать условия фазового синхронизма для селективного ФИРС и оценить величину фоторефрактивной чувствительности кристаллов ниобата лития, легированных родием.
Для решения поставленных в работе задач применялись
экспериментальные и теоретические методы. В процессе постановки и проведения эксперимента использовались фотоэлектрический и фотографический методы, а также метод визуального наблюдения. Обработка и интерпретация результатов осуществлялись с использованием статистических методов, метода численного решения нелинейных
алгебраических уравнений, цифровых методов анализа изображений.
В диссертационной работе были использованы образцы кристаллов ниобата лития с легирующими добавками железа и родия: 1л№)Оз:Ре (0,03 вес. %), 1ЛМЬ03:Ре (0,05 вес. %) и ЫМЬОз:Ш1 (0,01 вес. %). Указанные примеси однородно распределены по объему кристаллов. Кристаллы были предоставлены И.Б. Барканом (Институт физики
полупроводников СО РАН, г. Новосибирск). Були, из которых вырезались образцы, выращены методом Чохральского. Грани кристаллов ориентированы вдоль кристаллофизических осей х, у и г. Полировка граней проводилась с учетом стандартных требований, предъявляемых к обработке оптических и лазерных элементов. Перед проведением измерений качество
6
кристаллов было проверено с использованием коноскопической методики. Необходимость такой проверки связана с тем, что реальные кристаллы на микроскопическом уровне оптически неоднородны за счет наличия примесей и механических напряжений. Также возможна разориентация различных областей - блочность. Как следствие, в различных частях кристалла оптические оси могут иметь различную ориентацию относительно граней кристаллов. Для измерений отбирались образцы, прошедшие проверку качества.
Результаты, полученные автором в работе, могут быть использованы для разработки нелинейно-оптических элементов и создания на их основе новых оптических устройств обработки, передачи, записи и хранения информации. Метод построения индикатрис ФИРС, предложенный в работе, может применяться для анализа угловых зависимостей интенсивности излучения при решении различных исследовательских и прикладных задач оптики.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 115 наименований. Общий объем работы составляет 108 страниц, включая 38 рисунков.
В первой главе представлен обзор работ, позволяющий оценить современное состояние физики фоторефрактивных сред. Рассмотрены процессы формирования поля пространственного заряда и основные механизмы фотоиндуцированного переноса заряда в сегнетоэлектрических кристаллах. Описывается фоторефрактивный эффект и основные модели, его объясняющие. Перечислены и охарактеризованы виды фотоиндуцированного рассеяния света. Большое внимание уделено процессу записи динамических голограмм в фоторефрактивных кристаллах.
Во второй главе приведены экспериментальные результаты изучения кинетики фотоиндуцированного рассеяния света в направлении прошедших лучей в кристаллах ниобата лития, легированных железом и родием, при интенсивности пучка накачки, изменяющейся в диапазоне 1р = 1+7 кВт/см
на длине волны 0,6328 мкм. Определены временные характеристики ФИРС
7
(время нарастания интенсивности ФИРС до максимального значения, величина максимальной интенсивности ФИРС для данных условий эксперимента). Получены люкс-амперные характеристики исследуемых кристаллов в указанном диапазоне интенсивности накачки. Для проведения исследований выбраны кристаллы 1лМЬ03:Ре (0,03 вес. %), ЫЫЬ03:Ре (0,05 вес. %) и 1ЛЫЬ03:11Ь (0,01 вес. %). Выбор легирующих примесей обусловлен следующими соображениями. Фоторефрактивные свойства 1ЛМЬОз:Ш1 мало изучены, хотя имеются данные, что примесь родия значительно повышает фоточувствительность кристаллов [6, 7, 10]. Для ЫЫЬОзгРе разработаны модели, описывающие ФИРС [5 - 7], однако их применимость при выбранных нами условиях эксперимента требует проверки.
Третья глава посвящена построению и анализу индикатрис интенсивности ФИРС в направлении прошедших и отраженных лучей в кристаллах ниобата лития, легированных железом и родием, при различных углах падения пучка накачки. Автором предложен метод построения индикатрис ФИРС, основанный на обработке цифровых изображений программными средствами, позволяющий упростить анализ особенностей пространственной структуры ФИРС. Проведена оценка применимости различных моделей ФИРС кристалла ниобата лития, легированного родием.
В главе 4 приводятся результаты экспериментального исследования и моделирования селективного ФИРС в кристалле иТ4Ь03:Ш1 при различных углах падения пучка накачки. Предлагается модель, описывающая селективное ФИРС как результат четырехволнового взаимодействия в среде с кубичной нелинейностью. С использованием данной модели рассчитаны углы синхронизма, соответствующие направлениям, в которых осуществляется нелинейное преобразование излучения накачки. Определена величина фотоиндуцированного изменения показателя преломления и фоторефрактивная чувствительность кристалла.
В заключении излагаются основные результаты работы.
8
- Київ+380960830922