Запись изображения в кристаллах ниобата лития широкополосным излучением

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ................................................................6
1 ГЛАВА. Запись изображения в фоторефрактивных кристаллах и
сопутствующие эффекты...................................................15
1.1. Фотовольтаический эффект в фоторефрактивных кристаллах.............15
1.1.1. Линейный и циркулярный фотовольтаический эффект..................17
1.1.2. Поляризационные и спектральные свойства ФВЭ......................18
1.1.3. ФВЭ в сегнетоэлектрических кристаллах............................21
1.1.4. Модели фотовольтаического эффекта................................24
1.1.5. Фотовольтаический эффект в кристаллах ниобата лития от
широкополосного некогерентного излучения................................26
1.2. Фоторефрактивный эффекг............................................28
1.2.1. Определение и основные свойства фогорефрактивного эффекта........28
1.2.2. Модели фоторефрактивного эффекта.................................30
1.2.2.1. Модель Чена....................................................31
1.2.2.2. Модель Джонстона...............................................33
1.2.2.3. Диффузионный механизм..........................................34
1.2.2.4. Оптическое возбуждение дипольиых моментов примесных ионов......34
1.2.2.5. Другие модели, объясняющие фоторефрактивный эффект.............35
1.3. Фоторефрактивное рассеяние света в кристаллах......................37
1.4. Электрооптичсский эффект и преобразование широкополосного излучения в нелинейнооптических кристаллах..........................................45
1.5. Интерференционно-поляризационные характеристики излучения, прошедшего кристаллические пластинки, используемые для записи изображения ........................................................................52
1.5.1. Поляризация света, прошедшего кристаллическую пластинку..........52
1.5.2. Распространение светового излучения в анизотропных кристаллах....55
1.5.3. Управление поляризацией света....................................59
1.5.4. Интерференция поляризованных лучей...............................65
2
1.6. Запись и считывание оптической информации в фоторефрактивных кристаллах.............................................................70
1.6.1. Термооптический метод записи...................................71
1.6.2. Запись изображения при формировании электрического заряда в приповерхностной области кристаллов ниобата лития......................73
1.6.3. Электрооптический метод записи в фоторефрактивных кристаллах 76
1.6.4. Голографическая запись информации...............................78
1.6.5. Запись изображения в фоторефрактивных кристаллах широкополосным
некогерентным излучением...............................................82
ВЫВОДЫ.................................................................82
2 ГЛАВА. Формирование изображения в фоторефрактивных кристаллах ниобата лития..................................................................84
2.1. Экспериментальные схемы записи оптического изображения в кристаллах ниобата лития.........................................................84.
2.2. Формирование изображения в кристаллах ниобата лития при помощи диафрагмы..............................................................87
2.3. Формирование изображения в кристаллах ниобата лития при помощи реплики, нанесенной на зеркало.........................................90
2.4. Ориентационно-поляризационная зависимость контраста записи
изображения............................................................94
ВЫВОДЫ................................................................103
3 ГЛАВА. Интерференционно-поляризационные характеристики излучения, прошедшего через кристаллические пластинки, используемые для записи изображения...........................................................105
3.1. Управление спектром пропускания кристаллической пластинки........106
3.2. Управление спектром пропускания системы поляризатор-кристалл-кристалл-анализатор............................................................111
3.3. Управление поляризационными характеристиками излучения, прошедшего фазовую пластинку.....................................................118
3
3.3.1. Задание поляризации излучения при помощи фазовой пластинки 118
3.3.2. Критичность степени поляризации излучения, прошедшего через фазовую пластинку..............................................................127
3.4. Эллиптичность немонохроматического излучения, прошедшего через фазовые пластинки......................................................130
3.5. Параметрический метод построения эллипса поляризации излучения и
определение еш характеристик...........................................137
ВЫВОДЫ.................................................................144
4 ГЛАВА. Коиоскопические картины оптических кристаллов в широкоапертурных слаборасходящихся пучках света........................146
4.1. Экспериментальная установка для наблюдения коноскопических картин оптических кристаллов в широкоанертурных слаборасходящихся пучках света .......................................................................146
4.2. Исследование оптических кристаллов в широкоапертурных пучках света. 148
4.3. Трансформация коноскопических картин при изменении положения оптической оси кристаллической пластинки...............................158
4.4. Интерференция коноскопических картин в широкоапертурных
слаборасходящихся пучках света.........................................161
ВЫВОДЫ.................................................................166
5 ГЛАВА. Фотовольтаический эффект в кристаллах ниобата лития...........167
5.1. Фотовольтаический эффект в кристаллах ниобата лития от широкополосного некогерентного излучения...............................................167
5.2. Кинетика фотовольтаического эффекта в кристаллах ниобата лития 174
5.2.1. Фотовольтаический эффект в номинально чистых кристаллах.........174
5.2.2. ФВЭ в легированных кристаллах ниобата лития.....................177
5.2.3. Спектральная чувствительность ФВЭ в кристаллах ниобата лития 182
5.3. Влияние электрических полей на фотовольтаический эффект...........184
ВЫВОДЫ.................................................................187
6 ГЛАВА. Фоторефрактивное рассеяние света в кристаллах ниобата лития 189
4
6.1. Кольцевое фотоиндуцированное рассеяние света..................189
6.2. Эффект термической усталости в кристаллах ниобата лития и диффузионное рассеяние света.....................................................193
6.3. Периодическая перекачка излучения в кристаллах 1лМЮз:Ш1........198
6.4. Моделирование индикатрисы фоторсфрактивного рассеяния света 203
6.4.1. Расчет индикатрисы широкоуглового фоторефрактивного рассеяния света в кристаллах ниобата лития............................................203
6.4.2. Расчет кинетики широкоуглового фоторефрактивного рассеяния света в кристаллах ниобата лития............................................208
6.4.3. Расчет индикатрисы селективною по углу фоторефрактивного рассеяния света в кристаллах ниобата лития....................................212
6.4.4. Определение фотопроводимости кристалла по кинетике
фоторефрактивного рассеяния света...................................217
ВЫВОДЫ............................................................222..
ЗАКЛЮЧЕНИЕ..........................................................223
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 228 .
5
ВВЕДЕНИЕ
С момента создания лазера, начались бурные исследования в области нелинейной оптики. Интенсивное развитие лазерной техники позволило реализовать многочисленные эксперименты в области нелинейной оптики. Практически любой эффект нелинейной оптики можно применить в информационных технологиях для записи, хранения и передачи информации.
В настоящее время уделяется большое внимание со стороны ученых различных отраслей знаний к исследованию фоторефрактивных сред и особенностям взаимодействия электромагнитного излучения с этими средами. Фо-торефрактивные среды являются наиболее перспективными для создания на их основе новых элементов информационной техники, для оптических систем обработки информации. Типичными примерами таких систем являются фурье-процессоры, устройства пространственной фильтрации изображений, корреляторы, светофильтры, модуляторы и затворы широкополосного излучения [1-4]. Одним из наиболее эффективных фоторефрактивных кристаллов (ФРК) является кристалл ниобата лития. Этот кристалл обладает высокими нелинейными, электрооптическими, пьезоэлектрическими, пироэлектрическими, фотовольтаическими (ФВ) и фоторефрактивными (ФР) свойствами, что обуславливает возможность его широкого применения в устройствах голографической записи информации, а также модуляции, дефлекции и преобразования частоты оптического излучения. Прямым следствием фоторефрак-тивного эффекта (ФРЭ) является фоторефрактивное рассеяние света (ФРРС), которое обуславливает сильную деструкцию лазерного пучка, проходящего через ФРК, что является ограничивающим условием для голографической записи информации. Исследование ФРРС в ниобате лития важно и интересно в двух аспектах. С одной стороны, это накопление и систематизация информации, необходимой для улучшения голографических характеристик ФРК, с другой стороны ФРРС позволяет получить новые данные о свойствах кристалла и влиянии различных примесей на эти свойства.
6
Большинство научных работ по исследованию ФРЭ проведено с использованием когерентных источников света (лазеров X = 0,44 мкм и X = 0,488 мкм). С использованием широкополосного некогерентного излучения работ крайне мало. В то же время известно, что ФРРС проявляется только при взаимодействии когерентного света с ФРК. Использование некогерентного излучения в перспективе может привести к существенному улучшению характеристик уже существующих и созданию новых устройств, в которых используются ФРК, а также к значительному снижению стоимости таких приборов.
Таким образом, данное направление в области оптики ФР сред в научном плане и в плане прикладных разработок является важной и актуальной задачей и требует дальнейших систематических исследований.
Цель и задачи работы
Целью исследований является выявление физических закономерностей и особенностей формирования оптического изображения в легированных кристаллах ниобата лития с использованием широкополосного некогерентного излучения и рассмотрение сопутствующих эффектов. Выявление спектральных и поляризационных характеристик излучения, прошедшего через систему кристаллических пластинок, используемых для записи изображения.
Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены следующие задачи:
1. Исследовано влияние различных факторов (ориентации, линейного размера светового пятна, поляризации излучения относительно полярной оси кристалла, концентрации и вида примесей, температуры окружающей среды) на контраст и скорость записи, а также на время хранения оптического изображения;
7
2. Исследованы особенности протекания фотовольтаического эффекта при облучении легированных кристаллов ниобата лития широкополосным некогерентным излучением;
3. Исследовано фоторефрактивное рассеяние света с использованием излучения гелий-неонового лазера, влияние многократного термического отжига на процесс фоторефрактивного рассеяния света; возможность управления индикатрисой рассеяния при помощи внутренних и внешних электрических полей;
4. Исследовано формирование нетрадиционных коноскопических картин в широкоапертурных слаборасходящихся пучках света. Предложен новый оптический метод наблюдения оптически наведенных неоднородностей показателя преломления в образце;
5. Исследованы спектры пропускания отдельных кристаллических пластинок, изготовленных из кристаллов кварца (8Ю2), кальцита (СаС03), КОРГ (КН2РО4), ниобата лития (1лЫЬ03) при различном расположении оптической оси пластинки относительно направления пропускания поляризатора, разной-толщине пластинок, при вращении анализатора;
6. Рассчитаны спектры излучения, прошедшего через систему из двух, трех и четырех кристаллических пластинок. Выявлены особенности этих спектров. Исследовано влияние на спектры пропускания пластинок их толщины, количества пластинок, угла поворота пластинок друг относительно друга и относительно плоскости пропускания поляризатора, а также изменение спектра при вращении анализатора;
7. Изучены особенности изменения параметров поляризации излучения, прошедшего через кристаллическую пластинку: эллиптичности, азимута и степени поляризации, при различных углах поворота пластинки по отношению к плоскости пропускания поляризатора, различной разности фаз между компонентами электрического поля прошедшей волны и различной длине волны, на примере кристаллов КЮР и ниобата лития. Предложен метод опре-
8
деления поляризационных характеристик излучения, прошедшего через систему фазовых пластинок, основанный на применении параметрических уравнений эллипса поляризации. Выявлены возможности использования фазовой пластинки с произвольной разностью фаз между обыкновенным и необыкновенным лучами для управления эллиптичностью прошедшего излучения.
Объекты и методы исследования
В качестве основного объекта исследования выбраны кристаллы ниобата лития с различными примесями и концентрациями, а также номинально чистые кристаллы. Все кристаллы выращены с использованием одной и той же методики и постоянной шихты, что исключает случайную природу наблюдаемых эффектов.
Кроме этого, исследовались кристаллы КГ)Р, кальцита, кварца.
К выполнению работы привлечен набор методик: фото1рафических, фотоэлектрических и спектроскопических, компьютерное моделирование.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Запись изображения реализуется при наличии градиента интенсивности записывающего пучка с/У/^2, направленного вдоль полярной оси кристалла. Отклик Ап (изменения показателя преломления кристалла) пропорционален градиенту интенсивности сМШг.
2. В фоторефрактивных кристаллах возможна запись изображения объектов за счет квадратичной нелинейности кристалла при освещении их некогерентным широкополосным излучением.
3. При записи изображения объектов в фоторефрактивных кристаллах некогерентным широкополосным излучением мешающее влияние фотореф-рактивного рассеяния света исключается из-за наличия множества частот излучения, некогерентных относительно друг друга.
9
4. Точка перехода линейчатого спектра в сплошной в системе поляриза-тор-кристалл-анализатор позволяет определить или задать не только угол между главным сечением кристаллической пластинки и направлением пропускания поляризатора, но и характерные для данной пластинки спектры пропускания, а также угол между направлениями пропускания поляризатора и анализатора.
5. Эффект компенсации влияния плоскопараллельных кристаллических пластинок на спектр пропускания системы, состоящей из поляризатора, пластинок и анализатора реализуется, когда направления пропускания поляризатора и анализатора взаимно перпендикулярны и одно из главных сечений кристаллических пластинок совпадает с направлением пропускания поляризатора.
6. Параметрические уравнения эллипса поляризации и уравнения характеристических направлений позволяют построить эллипс поляризации про- £• шедшего через систему излучения, определять его характеристики и управлять ими.
7. Фотовольтаический отклик в кристаллах ниобата лития при оезеще-нии широкополосным излучением обусловлен вкладом одинаковых частотных компонент. Перекрестные взаимодействия разных частотных компонент вклада не дают, так как эти компоненты не когерентны.
8. В кристаллах ниобата лития наблюдается эффект термической усталости при многократном термическом отжиге (в течение 30 мин при температуре 200°С).
Научная новизна работы
1. Реализована запись изображения с широкополосным, немонохроматическим излучением в фоторефрактивных легированных кристаллах ниобата лития. Изменения показателя преломления (запись изображения) происходят благодаря наличию градиента интенсивности записывающего излучения,
10
направленного вдоль полярной оси кристалла. Контраст записи и время хранения изображения, в легированных кристаллах ниобата лития при использовании широкополосного некогерентного излучения зависит от формы падающего на кристалл светового изображения и его ориентации относительно полярной оси кристалла, а также от поляризации излучения.
2. Существует эффект компенсации влияния одной из пластинок в системе поляризатор-кристалл-кристалл-ализатор на спектр пропускания системы.
3. В системе поляризатор-кристалл-анализатор существует характерная точка перехода линейчатого спектра в сплошной при вращении плоскости главного сечения кристаллической пластинки относительно направления пропускания поляризатора или вращении анализатора.
4. Предложен метод определения поляризационных характеристик излучения, прошедшего через систему кристаллических пластинок, основанный на применении параметрических уравнений эллипса поляризации.
5. Впервые обнаружено и продемонстрировано проявление термине- . ской усталости кристалла ниобата лития в фоторефрактивном рассеянии света при многократном отжиге. Вероятно, это обусловлено увеличением тем-новой проводимости кристалла. Фоторефрактивные свойства кристалла при этом ослабевают.
6. Предложенная методика исследования фоторефрактивных кристаллов, заключающаяся в наблюдении коноскопических картин в широкоапертурных слаборасходящихся пучках света, позволяет определять наличие оптических неоднородностей в кристалле.
7. Впервые зарегистрированы нетрадиционные интерференционные коноскопические картины в слаборасходящихся пучках света от двух кристаллических пластинок ниобата лития. Интерференционная картина трансформируется при изменении угла между плоскостями главных сечений кристаллических пластинок.
11
8. При облучении кристаллов 1л№Юз:Ш1 излучением гелий-неонового лазера происходит периодическая перекачка части энергии излучения из рассеянного в центральное пятно и обратно.
Связь с государственными программами и НИР
Диссертационная работа связана с фундаментальной научно-исследовательской темой ОАО «РЖД» «Анизотропное отражение света и элсктрооптические свойства кристаллов», выполняемой на кафедре «Физика» ДВГУПС.
Практическая значимость работы
Все полученные в диссертационной работе результаты служат основой для создания новых нелинейно-оптических элементов и на их основе приборов нового типа, применяемых в открытых и волоконных линиях связи, для создания новых запоминающих и других устройств. Применение в этих уст-
ч
ройствах широкополосного, естественного света может существенно снизить их стоимость. Полученные в диссертационной работе научные результаты могут быть использованы для выявления характеристик кристалла - величины двулучепреломлеиия, наличия дефектов, определения степени поликристалличности пластинок. Возможности изменения спектров пропускания плоскопараллельных пластинок могут быть полезны при управлении характеристиками широкополосных лазеров на красителях, при селекции в лазерах модового состава, изменении спектра в обычных пучках излучения, изготовив из пластинок, поляризатора и анализатора монохроматор излучения. Такая система может оказаться полезной при создании реперных спектров при проведении спектральных исследований; при определении угла между оптическими осями двух пластинок.
12
Достоверность научных результатов
Результаты работы гарантируются использованием современных представлений о фоторефрактивных процессах в кристаллах ниобата лития, основанных на общепринятых физических моделях и подтверждаются сопоставлением с наблюдаемыми экспериментальными данными или с результатами численных расчетов.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались на следующих конференциях:
• 1, 2, 3, 4, 5 Международной научной конференции молодых ученых и специалистов «Оптика 1999», «Оптика 2001», «Оптика 2003», «Оптика 2005», «Оптика 2007», Санкт-Петербург, 1999, 2001, 2003, 2005, 2007;
• Modem problems of laser physics. (MPLP’2000) Simposium, Novosibirsk, ’ 2000;
• First international Conference for young on laser optics (LO-YS 2000), St-Petersburg, 2000;
• Asia-Pacific Conference on Fundamental problems of Opto- and Microe-lectronics and International WorkShop on Optical Beam Transformation (IWBT’2001) Vladivostok, 2001;
• 4, 5, 6, 7 Региональной научной конференции «Физика: фундаментальные и прикладные исследования, образование», Владивосток, 2003, Хабаровск, 2005, Благовещенск, 2006, Владивосток, 2007;
• Региональной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по физике полупроводниковых, диэлектрических и магнитных материалов, Владивосток, 2004;
• 4 Международной научной конференции «Радиационно-термические эффекты и процессы в неорганических материалах», Томск, 2004;
13
• Asia-Pacific Conference on Fundamental Problems of Opto- and Microelectronics, APCOM-2004, Khabarovsk, 2004;
• 3, 4, 5 Международной научной конференции «Фундаментальные проблемы оптики», С.-Петербург, 2004, 2006, 2008;
• Fifth Asia-Pacific Conference and Workshop on Fundamental Problems of Opto- and Microelectronics, APCOM - 2005, Vladivostok, 2005;
• IV Международной научной конференции творческой молодежи «Научно-техническое сотрудничество стран АТР в XXI веке», Хабаровск, 2005;
• Международной научной конференции «Принципы и процессы создания неорганических материалов» (Третьи Самсоновскис чтения), Хабаровск, 2006;
• Научной сессии МИФИ - 2007, МИФИ - 2008, Москва, 2007 г., 2008
г.;
• 12th Conference on Laser Optics, LO-2006, St.Peterburg, 2006;
• XVIII Всероссийской конференции по физике сегнетоэлекгриков, ВКС-18, С.-Петербург, 2008;
• VII Международной научной конференции «Лазерная физика и оптические технологии», Минск, 2008.
14
1 ГЛАВА. ЗАПИСЬ ИЗОБРАЖЕНИЯ В ФОТОРЕФРАКТИВНЫХ КРИСТАЛЛАХ И СОПУТСТВУЮЩИЕ ЭФФЕКТЫ
1.1. ФОТОВОЛЬТАИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ В ФОТОРЕФРАКТИВНЫХ КРИСТАЛЛАХ
Появление аномально больших фотонапряжеиий при освещении однородных материалов стало известно относительно недавно. В 70-х годах прошлого столетия обнаружен фотовольтаический эффект (ФВЭ). В научной литературе встречается и другое название этого эффекта - фотогальванический эффект (ФГЭ). Интенсивное исследование ФВЭ в различных материалах проводилось как отечественными, так и зарубежными учеными. Результаты многочисленных исследований сведены в различных обзорах и монографиях [5-9]. ФВЭ заключается в том, что при однородном освещении кристалла в нем • наблюдается возникновение стационарного тока. Если освещение производится в режиме разомкнутых электродов, то на них возникают аномально большие фотонапряжения порядка 103-105 В, превышающие величину запрещенной зоны Её на два - четыре порядка. ФВЭ в сегнетоэлектрике наблюдается только в сегнетоэлектрической фазе и исчезает в параэлектрической области; величина фотонапряжения пропорциональна длине кристалла в направлении полярной оси кристалла Р5. ФВ отклик зависит от формы светового пятна и направления вектора напряженности электрического поля световой волны падающего излучения Е по отношению к полярной оси кристалла [5]. Максимальный ФВ ток регистрируется при форме светового пятна в виде полоски, ориентированной перпендикулярно полярной оси кристалла и направлении вектора Е параллельно Р5. В работе [10] показано, что влияние освещения на оптическое двулучепреломление сегнетоэлектрика или ФРЭ [11] и основанная на этом эффекте запись объемных фазовых голограмм в сегне-
15
тоэлсктриках обусловлена ФВЭ. Впрочем, как было показано в работе [12], в основе ФРЭ могут быть и другие механизмы.
Рассмотрим пространственно-однородную среду, в которой имеется постоянное электрическое поле Е и монохроматическая световая волна с волновым вектором к, частотой со, комплексной амплитудой а и единичным вектором поляризации е. Плотность постоянного тока j, наводимого в среде, можно представить в виде разложения [6]:
Л =vfjEj+ GyiEjEj + vflmEjeie*mJ+Xijimqjeie*mJ+pyVeje* J+... (1.1)
где J - это интенсивность света, выражающаяся через | а | 2. По одинаковым индексам здесь и далее предполагается суммирование. Коэффициенты разложения в формуле (1.1) являются тензорами второго, третьего и четвертого
рангов. Тензор С7у описывает собственную (темповую) проводимость среды
- закон Ома. Тензор <5у характеризует нелинейную поправку к закону Ома -
так называемую квадратичную электропроводность [13]. Третье слагаемое описывает фотопроводимость среды, включая анизотропную фотопроводимость [14, 15]. Четвертое слагаемое, характеризуемое тензором Xjim и ПР°~
порциональное импульсу волны, отвечает эффекту светового увлечения [16, 17]. И, наконец, последнее слагаемое описывает ФВЭ - генерацию светом постоянного тока в отсутствие внешних полей и пространственной неоднородности, а таюке в пренебрежении импульсом фотона. Направление этого тока определяется внутренними свойствами симметрии среды. Тензор третьего ранга (З^у называют фотовольтаическим или фотогальваническим тензором.
Таким образом, по своим свойствам ФВЭ является тензорным, то есть изменяя поляризацию света, падающего на кристалл и направление распространения в кристалле, можно задавать направление фотоиндуцированного тока.
16
1.1.1. Линейный и циркулярный фото вольта и чески й эффект
Вся информация о ФВЭ заключена в тензоре рдо. Он может быть отличен от нуля только в средах без центра симметрии [5]. Его свойства, вытека-
ют из определения ФВЭ
Уі=рл.е;у (1.2)
Действительная часть (Зу/ симметрична по последним индексам, а мнимая часть - антисимметрична [5, 6]:
Кер/у/ =Кер;уу> Ітруу =-1тР,уу.
Это приводит к следующему феноменологическому соотношению:
Уфві = (Р<у/«уЄ* + ('Ря[ее'},)/. (1.3)
Выражение (1.3) состоит из двух различных по своим свойствам слагаемых: у =уь + /. Второе слагаемое ус = отлично от нуля только для ,
эллиптически поляризованного света, поэтому связанные с ним фототоки называют циркулярными, а соответствующий ему ФВЭ - циркулярным ФВЭ (ЦФВЭ) [5, 9].
г т *
Первое слагаемое в (1.3) у отлично от нуля не только для
эллиптически поляризованного света, но и при линейной поляризации, когда е - е . Связанные с ним фототоки называют линейными, а соответствующий ему ФВЭ - линейным ФВЭ (ЛФВЭ) [5, 9].
Тензор ЛФВЭ р,у/ = рлу является истинным тензором. По симметрийным
свойствам он аналогичен пьезотензору. Таким образом, ЛФВЭ возможен во всех пьезоэлектриках [5,9].
Тензор ЦФВЭ р;у является псевдотензором. Его трансформационные
свойства совпадают со свойством тензора гирации, поэтому ЦФВЭ присущ всем гиротропным средам [18, 19].
Среды без центра симметрии можно разбить на три группы [5].
17
Группа I - это материалы, обладающие и пьезоэлектрическими, и гиро-тропными свойствами. Им свойственен и ЛФГЭ, и ЦФГЭ. Приведем соответствующие пироэлектрические и пьезоэлектрические классы симметрии:
Су; С2; С5; С2у,' С/; С4у; Сз; Сзу; С$; Сбу! С/; со; сот; В2; 04; В2а> Вз; Вв; 5*; Т; со2.
Последние два класса отвечают предельным группам симметрии, обладающим особенным полярным направлением.
Группа II - это пьезоэлектрики не обладающие гиротропией. Им свойственен только ЛФВЭ. Им соответствуют кристаллические классы:
Сз/,; ВЗИ; Та.
Группа III - это гиротропные среды, не обладающие пьезосвойствами. Им характерен только ЦФВЭ. К таким кристаллическим классам соответствуют:
О; сооо.
Зная класс симметрии материала, можно установить отличные от нуля и независимые компоненты тензоров ри р^. Тем самым определяются поляризационные свойства токов у1 и ус.
1.1.2. Поляризационные и спектральные свойства ФВЭ
Сначала рассмотрим поляризационные свойства ЛФВЭ у различных классов кристаллов. Компоненты токов будем записывать в кристаллографических координатах, используя общепринятую систему упрощенной записи компонент симметричных тензоров [20].
Для пироэлектрических классов С/к Сбу, ^т; к которым относятся ВаТЮз, РЬТЮз, СбБ, ZnO, 8гхВа].хМЪ20б тензор рь имеет три независимые компоненты: Р33, Р32 = Р31, Р24 = РЬ • Соответствующее выражение для тока может быть записано, в виде [21]:
УЬ =М\С + ^ЪЪ -Р31 -2^5\ес)2с + 2^5е{се)\ (1.4)
18
где с - единичный полярный вектор, направленный вдоль кристаллографической оси г.
Из (1.3) следует, что отличие симметрии кристаллов С4у, Сбу от симметрии конуса ост несущественно и /' может иметь по отношению к оси с как продольную, так и поперечную независимые компоненты.
В пироэлектрических кристаллах класса С3у , к которым относятся ЫМЬОз, ЫТаОз ток /' имеет дополнительную по сравнению с (1.4) составляющую, связанную с компонентами Р22; р|б = ”Р22 ^ Р21 = _Р22 :
5& = —Ц$22ехеу > 8)у = “ЛЗ22 )• Но так как част0 Р22 «Рзз;РзьРЬ>
то отличие симметрии С3у от ост малосущественно.
Отметим, что из непироэлектрических пьезоэлектриков весьма простыми поляризационными свойствами обладают кубические кристаллы классов Т и Т(3 (СаАэ, ваР, 1п8Ь, ZnS) ВцгСеСЬо, ВцгЗЮго). В этих кристаллах у рь всего
одна независимая компонента ру) = Рн|б,у/ • Одну независимую компоненту
имеют также пьезоэлектрики классов А/ь А, А, ос2.
Теперь рассмотрим поляризационные свойства ЦФВЭ у различных классов кристаллов. Среди пироэлектрических классов наиболее простые снова Сзу, С4у, СбУ, ест, Это так называемые слабогиротропные среды, не обладающие оптической активностью [20]. Тензор ЦФВЭ здесь характеризуется
одной независимой компонентой pf2 =-р21- Циркулярный ток может быть записан в векторном виде:
/=«^Р?2Ы, Х = '1ее*1- О-5)
Сравнивая (1.4) с (1.5), видно, что при феноменологическом описании ЛФВЭ и ЦФВЭ кристаллы классов С3у, С4у и С6у, как и полярные среды класса ест, можно характеризовать единственным элементом симметрии - полярным вектором с.
19
Пироэлектрические кристаллы классов С3, С4, Сб, сс (РЬ50е30ц) обладают тремя независимыми компонентами рс, так что
/ = [РпЗС + (РзЗ - РГ1 кхс)+Р?2 Ы]7-
Из нспироэлектрических пьезоэлектрических кристаллов весьма простыми поляризационными свойствами обладают кубические кристаллы класса Т (Вц28Ю2о, ВцгСеОзо, №8Ь84) и изотропные среды с естественной оптической
активностью (класс ссос). В этом случае = Р22 = Р33 = рс, а ток у'с = рсХ^ •
В пьезоэлектрических кристаллах классов £)3, £>4, Е>^ ос2 (Те, 8е, 81) имеются две независимые компоненты, а ток = [РпХ + Нз-Рп^Ык-
Сравнительное исследование спектров ФВ тока и фотопроводимости проводилось в ряде работ [22-25]. В работах [22, 23] показано, что для 1лМЮ3:Ре спектральное распределение ФВ тока обнаруживает максимум вблизи А, —
I
400 нм, отвечающий полосе Бе , не выраженный или слабо выраженный в спектре фотопроводимости. В работе [25] (в отличие от [24]) ФВ ток У растет за краем собственного поглощения (К « 320 нм) в сторону коротких длин волн, хотя и более медленно, чем фотопроводимость ст,,/,. В соответствии с [26] это приводит к тому, что в спектре поля объемных зарядов Е имеет место широкий максимум. Эти данные указывают на существенную роль переходов зона-зона и на то, что ФВЭ в ниобате лития может быть как примесным, так и собственным.
В работе [27] изложены результаты исследования температурной зависимости спектральных характеристик кристаллов 1ЛМЬ03:Ре и Ь1ЫЬ03:Си в интервале температур 300-800 К. Показано, что увеличение температуры приводит к увеличению поглощения и смещению характерных точек спектра в длинноволновую область. Анализ спектров показал, что такие изменения в большей степени проявляются с повышением концентрации примеси в кристалле, причем в большей степени для железа, чем для меди.
20
1.1.3. ФВЭ в сегнетоэлектрических кристаллах
В первых экспериментах по ФВЭ, выполненных в ссгнстоэлектриках [28, 29], наблюдались постоянные фототоки вдоль полярной оси Р&. Выражение для этих токов записывается в виде
где а - коэффициент поглощения света. Коэффициент G, характеризующий эффективность возбуждения токов, получил название коэффициента Гласса. Позднее, когда стала ясной тензорная природа ФВЭ, соотношение (1.6) было заменено более общим соотношением (1.2). Однако в тех случаях, когда анизотропия поглощения несущественна (а такие случаи нередки), выделение в явном виде поглощаемой мощности а/ оказывается удобным. Скалярная величина <3 должна при этом заменяться тензорной:
Размерность коэффициента Гласса [С] = А-см/Вт = см/В обратна размерности поля. Наряду с ФВ тензором для различного рода оценок широко используется коэффициент Гласса.
В работе [29] показано, что именно ФВ ток приводит к аномально большим фотонапряжениям в сегнетоэлектрике. В режиме измерения фотонапряжения (электроды кристалла разомкнуты), через сегнетоэлектрик в направлении Р5 протекает переходной фототок [29]
где Е — макроскопическое электрическое поле, образующееся вследствие зарядки емкости кристалла ФВ током /; и <зрн - соответственно темновая и фотопроводимости кристалла.
Фотонапряжение £/, которое возникает на гранях кристалла в этом на-
/ = С7си,
(1.6)
“ а Р у/ •
правлении за время максвелловской релаксации т =-----------, где є - диэлектриче
4тга
є
ская проницаемость кристалла, а - проводимость кристалла {/ = 0), равно
21
и = Е1 = /, (1.7)
<^d + ® р1г
где / - расстояние между электродами. Согласно формуле (1.7) и прямо пропорционально расстоянию между электродами и не ограничено шириной запрещенной зоны.
ФВЭ обнаружен в ЫМЮз [24, 28] и в ряде других сегнетоэлектрических ниобатах [30, 31]. Аномально большие фотонапряжения также обнаружены в ВаТЮз [32, 33], КМЬОз [34] и других кристаллах.
В работе [31] проведены исследования кинетики ФВЭ для монокристаллов 1лМЬ03:Ре (точечная группа Зш), КМ>Оз:Бе (2т) и ортониобата сурьмы 8ЬМЬ04 (2т). Освещение кристаллов проводилось аргоновым лазером на длине волны 488 нм в области плотностей мощности до 500 мВт/см2. Фотонапряжение и измерялось в направлении спонтанной поляризации [001], для чего электроды соединялись с входной емкостью электростатического вольтметра. Отдельные наблюдения показали, что фотонапряжение в перпендикулярном направлении и < Е&.
При выключении света в произвольный момент времени Г фотонапряжение падает на величину, соответствующую пирозаряду, после чего значение и медленно релаксирует в темноте [35].
ФВЭ в ниобате лития часто сопровождается обратным электрическим пробоем, проявляющимся в периодических скачках фотонапряжения и и соответственно в периодическом изменении показателя преломления Ап. Скачки возникают при достижении двулучепреломления критической величины.
г
В работе [36] авторы объясняют скачки Ап пробоем экранирующего заряда по поверхности, так как пробивное напряжение по поверхности существенно меньше, чем по объему кристалла. В работе [37] скачки Ап связывают со скачками Баркгаузена - под действием облучения возникают деполяризующие поля, которые больше коэрцитивного поля, что и приводит к возникно-
22
вению импульсов напряжения. Пироэлектрический эффект незначителен и не влияет на измерения С/.
Следует отметить, что в соответствии с (1.7) величина ФВЭ для всех исследованных сегнетоэлектриков обратно пропорциональна фотопроводимости, а его кинетика определяется максвелловской постоянной. Для всех исследованных сегнетоэлектриков между ФРЭ и ФВЭ прослеживается простая связь. А именно, изменение двулучепреломлеиия при освещении оказывается следствием линейного электрооптического эффекта за счет поля Е*у возникающего при ФВЭ. Изменение двулучепреломлеиия Ап вычисляется из соотношения [3]
где п\ и «з - показатели преломления, г^\ и г33 - электрооптические коэффициенты, Е* = 1//1.
Особенно много работ по ФВЭ опубликовано по сегнетоэлектрикам, в которых этот эффект проявляется наиболее ярко [38].
Основными экспериментальными результатами, позволяющими установить существование ФВЭ, являются: длительный характер изменений токов, аномально большие значения фотонапряжений, линейная зависимость ]рн от интенсивности света, зависимость фототока от поляризации света [32, 38-40].
Теория указывает на возможность зависимости знака ФВ тока от частоты света и температуры [32, 41]. В работе [25] авторы показывают, что в кристалле ЭЬБЗ протекает постоянный ток под действием рентгеновского излучения.
В литературе рассматривается вероятность влияния примесей на величину фототока [19, 42]. Сделан вывод, что на величину константы Гласса (С7) влияет не концентрация примеси, а ее тип. Но в [43] обнаружена зависимость С от степени легирования, также обнаружено нарушение линейности ФВ тока, то есть С начинает зависеть от интенсивности падающего излучения.
(1-8)
23