1
СОДЕРЖАНИЕ
Введение............................................................... 5
Глава I. Исследования фотогальванического эффекта в кристаллах
ниобата лития (обзор литературы)....................................... 9
§1. Фоторефрактивный и фотогальванический эффекты в ниобате
лития............................................................ 9
§2. Модели фотогальванического эффекта........................... 13
§3. Характерные особенности фотогальванического эффекта в 22
кристаллах 1лЫЬОз..........
3.1. Поляризационные зависимости ФГ тока.................. 22
3.2. Подвижность носителей заряда, участвующих в фото-гальваническом эффекте.................................... 21
§4. Влияние светового облучения на фотогальванический эффект
вЫЫЬОз.......................................................... 30
4.1. Примесные фоторефрактивные центры.................... 30
4.2 Индуцированное светом увеличение фотогальванического эффекта в кристаллах ниобата лития. "Вторичные" центры.................................................... 31
4.3. Особенности фотогальванического эффекта при больших интенсивностях света................................ 43
Выводы к Главе 1................................................ 40
Глава II. Методики и экспериментальная техника измерений фотоиндуцированного......................отклика в фоторефрактивных.............кристаллах 43
§1. Измерение фотоиндуцированных токов и фотопроводимости... 43
1.1 Измерение фотоэлектрических параметров в "стандартной схеме"...................................................... 43
1.2 Измерение фотогальванического тока и фотопроводимости в схеме с прозрачными электродами.................. 47
1.3 Измерение фотоиндуцированного отклика при нали- ^ чии механических напряжений.............................. 48
2
§2. Особенности измерения фототока и фотопроводимости в импульсном режиме........................................... 49
2.1. Регистрация импульсного фотоиндуцированного отклика кристалла ЫЫЬОз..................................... 50
2.2 Приборы и измерительная аппаратура.................... 51
2.3 Источники импульсного излучения....................... 53
§3. Сравнительный анализ и області, применения различных схем
регистрации фотоиндуцированного отклика.......................... 55
§4. Методические особенности разделения вкладов различных механизмов генерации фототока............................... 56
4.1 Пьезоэлектрический сигнал............................. 56
4.2 Пиро- и фотогальванический эффекты.................... 58
§5. Методики измерения фотоиндуцированных электрических полей........................................................... 59
5.1 Связь электрических полей с изменениями двулучепре-ломления................................................ 59
5.2. Голографический метод. Основные соотношения 61
5.3 Методические особенности записи, считывания и стирания голограмм в ЬіНЬОз.................................. 64
§6. Измерение подвижности фотовозбужденных электронов в магнитном поле при помощи голографической методики............. 65
6.1 Запись голограммы за счет фото-Холл эффекта как метод определения подвижности носителей заряда в нио-
бате лития................................................ 66
6.2 Магнитное поле........................................ 68
6.3 Запись и считывание голограммы в импульсе............. 71
Глава 111. Исследование подвижности электронов, участвующих в фо-тоїдльваническом эффекте в кристаллах 1л№Оз........................... 72
§1. Влияние магнитного поля на запись объемных фазовых голограмм в ниобате лития........................................... 72
1.1 Чувствительность методики............................. 72
3
1.2. Экспериментальная проверка влияния магнитного поля на запись голограмм.................................. 73
§2. Зависимость эффективности голографической записи от шага
решетки........................................................ 74
§3. Обсуждение результатов........................................ 79
Выводы к Гл. III.................................................. 86
Глава IV. Индуцированные светом изменения фотогальванического эффекта в 1лМЬОз.......................................................... 88
§1. Зависимость наведенного двулучепреломления и фотогальва- 88 нического тока от длительности импульса в кристаллах ЫКЬ03....
§2. Влияние механических напряжений на фогогальванический эффект и спектры комбинационного рассеяния в ЫЫЬОз......... 93
2.1. Эксперименты с ФГ эффектом......................... 93
2.2.Эксперимснты с КРС.................................. 95
§3. Обсуждение результатов.................................... 98
3.1. Зависимость фотогальванического коэффициента от
длительности импульса................................... 98
3.2 Влияние механических напряжений на фотогатьваниче-ский эффект................................................ 101
Выводы к Гл. IV.................................................. 104
Глава V. Экспериментальные исследования фотоиндуцированного
электрического отклика ГлЫЬОз при больших интенсивностях света 105
§ 1. Измерения электрического отклика кристаллов под действием мощных коротких лазерных импульсов..................... 105
1.1. Пьезоэлектрический сигнал............................. 107
1.2. Сигнал с временем релаксации (100 ч- 300) 10'9с....... 117
1.3. Фотогальванический и пироэффект....................... 118
1.4. Фотоиндуцированный отклик, повторяющий форму лазерного импульса......................................... 119
§2. Обсуждение результатов................................... 126
2.1. Возбуждение локальных нестационарных электричс- 126
•
4
ских полей в кристаллах ниобата лития.................... 126
2.2. Локальные поля и фотогальванический эффект........... 130
Выводы к Гл. IV............................................................................. 133
Заключение............................................................. 134
Список литературы...................................................... 137
5
Введение Актуальность темы.
Изучение фоторефракции (ФР) и фотогальванического эффекта (ФГЭ) в сегиетоэлектрических кристаллах занимает важное место в физике фотоэлектрических явлений. С момента открытия в ниобате лития (1лЫЬ03) фоторефракции (эффекта “оптического повреждения” [1]) - локальных обратимых изменений двулучепреломления, интерес к исследованию этого явления был и остается весьма велик. Это вызвано тем, что фоторефракция, с одной стороны, препятствует использованию кристаллов в устройствах нелинейной оптики, а с другой стороны, может быть использована в практических устройствах. Объемные фазовые голограммы, записанные в фоторсфрактивных кристаллах, применяются для записи и хранения информации [2, 56]; создания оптических спектральных приборов с высокой селективностью [3, 57, 58]; самодифракция световых пучков [54] находит применение в эффективной перекачке из слабого пучка в сильный [54,59,60], “очистителях” световых пучков [61], коммутации световых потоков в волноводных оптических системах [62] и т.д.
Открытие фотогапьваиичсского эффекта (ФГЭ) - генерации постоянного тока вдоль оси спонтанной поляризации при облучении образца однородным светом [4], и доказательство того, что он является основной причиной фогореф-ракции, явилось новым этапом в развитии науки о фоторсфрактивных явлениях. Поскольку вес основные характеристики фоторефрактивного эффекта в той или иной степени связаны с особенностями ФГЭ, изучение ФГэффскта представляет большой нракгический интерес для изучения фоторефракгивных явлений. Исследование ФГЭ представляет также самостоятельную научную ценность, поскольку направление тока задается не параметрами внешнего воздействия, а свойствами кристалла (обычно направление тока связывают либо с действием электрических и магнитных нолей, либо с пространственной неоднородностью среды или возбуждающего света: темповой и фотопроводимостью, диффузией [5], ЭДС Дембера [6], эффектом увлечения [7], генерацией тока на контактах, термо-ЭДС [5, 8] и др.). Установление однозначной связи харакгеристик эффекта
6
с характеристиками кристалла и возбуждающего излучения может дать не только понимание механизмов ФГЭ, но и позволит определять различные параметры самого кристалла. Экспериментальные и теоретические исследования ФГЭ в различных фоторефрактивных кристаллах (в настоящее время исследованы уже десятки таких материалов: ЫГЛЮз [4, 26 - 30], ЫТа03 [24], ВаТЮз [9,10,11], ЫВ$ [12, 13, 14], СаАэ [15], ОаР [16], КЫЬ03 [17, 18, 19], 2п8 [20, 21, 22, 23], 8К>> [25] и др.) послужили основой научного направления, в рамках которого проводятся регулярные международные конференции, написаны сотни статей и монографии.
Особенно ярко фотогальванический и фоторефрактивный эффекты проявляются в кристаллах ниобата лития ([лЫЬОз). Открытие и основополагающие работы по физике ФГ и ФР эффектов связаны именно с этими кристаллами. Физические свойства ниобата лития хорошо изучены, отработана технология его выращивания и легирования различными примесями [31,32], что делает ниобат лития удобным модельным объектом для изучения фотоиндуцированных эффектов.
Бо1атый экспериментальный и теоретический материал и наличие подробно разработанных моделей ФГЭ (например [63 - 66]) не ослабили значительного интереса исследователей к изучению фоторефрактивного и фотогальванического эффектов в ниобате лития. С одной стороны, необходимо дальнейшее экспериментальное изучение ФГЭ, поскольку в настоящее время вопрос об однозначном описании природы фотогальванического эффекта в ниобате лития остается открытым. С другой стороны, применение фоторсфрак-тивных кристаллов в оптических устройствах требует дальнейших исследований ФГЭ и фоторефракции в зависимости от параметров облучающего света и от физических свойств исследуемых кристаллов.
При экспериментальном исследовании ФГЭ необходимо разделение вкладов от широкого класса физических явлений, возникающих при облучении ФР кристалла когерентным световым пучком (пиро- и пьезоэлектричества, генерации локальных электрических нолей, возникновения фотоиндуцирован-
7
пых механических напряжений в освещенной области кристалла, нелинейных эффектов и т.д.).
В диссертационной работе стояла задача провести комплекс экспериментальных исследований ФГЭ в номинально чистых и легированных различными примесями кристаллах ниобата лития в широком диапазоне интенсивностей, длин волн, времен взаимодействия светового излучения с кристаллом. Конкретная цель работы состояла в:
1) экспериментальной оценке подвижности носителей заряда, участвующих в фотогальваническом токе в кристаллах ниобата лития;
2) изучении характерных особенностей возбужденных светом состояний кристалла, ответственных за фотоиндуцированное усиление ФГЭ:
- исследовании зависимости фотогальванического коэффициента от механических напряжений и длительности светового импульса (т„);
- разделении вклада различных физических механизмов (пиро-, пьезо-, фотогальванического эффектов) в электрический отклик с кристалла ЫЫЬОз при воздействии на образец мощного короткого (30 - 50нс) лазерного импульса в спектразьном диапазоне 532 - 1079 нм.
Основные результаты, полученные в работе, состоят в следующем.
1. Разработана методика измерения подвижности носителей заряда в высокоомных фоторефрактивных кристаллах. Эта методика, основанная на записи голограмм за счет отклонения возбужденных светом электронов в магнитном поле, в значительной степени исключает влияние факторов, имитирующих холловские токи (в частности поверхностные токи, фотоиндуцированное рассеяние света).
2. Показано, что подвижность электронов, участвующих в ФГЭ в кристаллах ниобата лития мала и не превышает величины 2.5 см2/В • с.
3. На серии кристаллов ниобата лигия, легированных Ге, ПЫЬОз:Ге отожженных в атмосфере водорода, номинально чистых а также чистых отожженных в вакууме исследована зависимость дифракционной эффективности, сдвиговой
8
и несдвиговой компоненты голограммы от шага решетки. Показано, что характер зависимости не описывается универсальным для всех кристаллов соотношением, а зависит от типа и концентрации легирующей примеси и параметров отжига.
4. Обнаружено, что фотогальванический коэффициент О зависит от длительности светового импульса, а также от механических напряжений, приложенных извне или возникающих при нагреве освещенной области кристалла.
5. На серии кристаллов: 1лМЬ03:Ре 1лМЬ03:Си, номинально чистых, чистых отожженных в вакууме, разделены вклады ниро- фотогальванического и пьезоэффектов в электрический сигнал, индуцированный мощным (100 - 400 МВт/см2) коротким (30 - 50 не) одиночным лазерным импульсом.
6. Обнаружено, что знак генерируемых светом деформаций кристалла вдоль оси спонтанной поляризации в номинально чистых образцах противоположен знаку соответствующих деформаций в легированных железом и чистых отожженных в вакууме кристаллах ниобата лития.
7. При импульсном облучении кристаллов ниобата лития обнаружен неизвестный ранее электрический отклик, повторяющий форму лазерного импульса. Показано, что по зависимости его от коэффициента поглощения и ориентационным характеристикам этот сигнал нельзя объяснить известным эффектом оптического выпрямления. Предложена модель, связывающая появление этого си тала с возбуждением локальных областей нанометрового масштаба в облучаемом объеме.
9
Глава I
Исследовании фотогальванического эффекта в кристаллах ниобата лития
(обзор литературы).
§1. Фоторефрактивный и фотогальванический эффекты в ниобатс лития.
Открытие фотогальванического эффекта явилось важным этапом в изучении физики фоторефрактивных явлений. До открытия ФГЭ не было однозначного понимания механизма фоторефракции. Предлагалось несколько моделей ФРЭ, которые условно можно разделить на полевые и нсполевые. В первых изменение 0Дп = Д(пс - По), где пс и п0 - показатели преломления для обыкновенной и необыкновенной волны соответственно, обусловлено наличием внутренних электрических полей в объеме кристалла [37]. В неполевых моделях [38, 45 - 47] фотоиндуцированные изменения спонтанной поляризации приводят к локальным изменениям показателя преломления.
В первых работах, посвященных ФРЭ, заложены основные принципы физики фоторефрактивного эффекта и определены его важнейшие экспериментальные характеристики [1, 27, 38, 39, 40 - 44]:
- изменение бДп за счет линейного электрооптичеекого эффекта;
- индуцированный светом перенос заряда и захват его на глубокие ловушки в темповой области ;
- знак и величина бДп (8Дп « 5пс ~10°);
- возбуждение пироэлектрической составляющей фотоиндуцированного тока.
Открытие и последующие исследования фотогальванического эффекта в кристаллах ниобата лития привели к выяснению природы индуцированных светом электрических нолей в объеме кристалла и доказательству того, что эти поля являются причиной фоторефрактивного эффекта.
Фотогальванический эффект был открыт в 1974 году Глассом с сотрудниками [4J: иод действием однородного облучения был обнаружен постоянный ток (названный фотогальваничсским), протекающий вдоль оптической оси кристалла LiNb03. Эксперимент проводился в течение 20-ти часов непрерывною облучения, что исключало связь этого тока с переходными процессами. В [4, 26] экспериментально установлено что ФГ ток в LiNbOs'.Fe (с
10
содержанием Ре 0.015; 0.045; 0.2 вес.%) зависит от интенсивности облучающего света I:
1фг=Оа1 (1.1)
где ]фг - плотность ФГ тока, а - коэффициент поглощения, О -
фотогальванический коэффициент, который получил название коэффициента (константы) Гласса. Там же показано, что в разомкнутом кристалле под действием ФГ тока появляются заряды, перетекшие на границу освещенной области. Эти заряды являются источником больших (до) электрических полей (Е ®105В/см) в объеме образца. Это поле обусловливает изменение 5Дпу за счет линейною электрооптического эффекта:
8ДПу = грЕк (1.2)
где - тензор линейного электрооптического эффекта. Подробные
доказательства того, что фоторефракция в ЫКЬОз обусловлена электрическим полем, генерируемым фотогальваническим эффектом, приведены в [35]. В настоящее время однозначная связь ФГЭ и ФРЭ в ГЛЫЬОз общепринята, что позволяет для исследования ФГЭ широко использовать методики, связанные с изменением двулучепреломления и записью голограмм.
При облучении кристалла в освещенной области течет ток короткого замыкания, состоящий из быстрой переходной компоненты, соответствующей пиротоку, и постоянного тока вдоль оси С. Постоянная составляющая является суммой ФГ- тока и тока проводимости аЕ: ^фГ + аЕ, где о - проводимость кристалла. Изменение электрического ноля подчиняется соотношению:
Решение (1.3) имеет вид:
с!Е Е 4л)
— +— = (1.3)
61 Тм 8
Е(1) = Ест(1-е-,/1«) (1.4)
где I - время, тм - максвелловское время (время диэлектрической релаксации [5]), Ест- стационарное поле (при )=0).
6 с 0<х1 /I о
Т„=-—> Ест= (1.5)
4 тга а
11
Проводимость можно представить как сумму темповой от и фотопроводимости сУф. Если предположить, что <Тф значительно превышает ат и линейно зависит от интенсивности: аф = Ра1 (где р-коэффициент
фотопроводимости), то
При облучении кристалла двумя бесконечными световыми пучками с плоским фронтом в области пересечения образуется интерференционная картина. Суммарная интенсивность света при взаимодействии двух плоских световых волн (схема приведена в Гл.11 на Рис.2.6) описывается выражением [67]:
I = I0(1 +mcos(Kr)>
2 /ї І
І0 = loi + І<)2 ; ni = - °-—— коэффициент модуляции; К —вектор
Î01+I02
голографической решетки (|К| = —); Л = —~— период решетки
Л 2sin0
интерференционной картины, 0- угол между одним из взаимодействующих пучков и нормалью к поверхности кристалла, Х0 - длина волны света в воздухе.
В фогорефракти вном кристалле периодическое распределение интенсивности света вызывает появление периодического электрического поля Е. Соотношение, связывающее статическое электрическое поле с обратным
тензором оптической диэлектрической проницаемости ejj1 приведено в [39]:
(е 1 )ii =(со! )il +rÿk^k (1*7)
Здесь Є01 - обратный тензор оптической диэлектрической проницаемости при Ек=0. В ниобате лития єхх = єуу = nj), В приближении малости
двулучепреломления (|п0 - пс| <<п0>с) из (1.7) следует
Ав~п4гЕ, п = 0.5(п0 + пе) где г - функция, зависящая от геометрии записи-считывания голограммы и конкретного вида электрооптического тензора г^. В результате периодического
- Київ+380960830922