2
Содержание
Введение.................................................................5
ГЛАВА 1 Фоторефрактивныс эффекты в кристаллах силленитов................12
1.1. Кристаллы силленитов...............................................12
1.2. Фоторефрактивный эффект и модель зонного переноса..................15
1.2.1. Приближение малых контрастов интерференционной картины.......... 18
1.2.2. Диффузионный механизм записи фоторефрактивной решетки............20
1.2.3. Запись фоторефрактивной решетки во внешнем электрическом поле....21
1.3. Зонная модель фоторефрактивного кристалла с мелкими ловушками......23
1.3.1. Фотоиндуцированное поглощение в кристаллах с мелким ловушками....27
1.3.2. Диффузионный механизм записи фоторефрактивной решетки в кристалле с мелкими ловушками.......................................................28
Глава 2. Фотоиндуцированное поглощение в кристаллах силленитов..........31
2.1 Теоретический анализ кинетики фотоиндуцированного поглощения........31
2.1.1 Кинетика фотоиндуцированного поглощения в кристаллах с мелкими электронными ловушками..................................................31
2.1.2 Релаксация фотоиндуцированного поглощения в темновых условиях.....37
2.2 Эксперимента!ьное исследование фотоиндуцированного поглощения.......40
2.2.1 Синтез кристаллов силленитов......................................40
2.2.2 Экспериментальная установка для исследования фотоиндуцированного поглощения света и двухпучкового взаимодействия.........................42
2.3 Методика проведения эксперимента по фотоиндуцированному поглощению.43
2.4 Экспериментальные результаты по кинетике фотоиндуцированного поглощения в кристалле В^ТЮго...........................................45
2.5 Выводы..............................................................50
Глава 3. Двухиучковое взаимодействие на фоторефрактивной и абсорбционной решетках..................................................51
3.1 Общие уравнения для первой пространственной гармоники поля пространственного заряда................................................51
3
3.2 Формирование фоторефрактивной решетки в отсутствии внешнего поля 53
3.2.1 Теоретический анализ динамики формирования фоторефрактивной и абсорбционной решеток....................................................53
3.2.2 Методика экспериментального исследования кинетики коэффициента двухпучкового усиления...................................................57
3.2.3 Экспериментальное исследование формирования фоторефрактивной и абсорбционной решеток в кристалле титаната висмута [55*].................58
3.2.4 Экспериментальное исследование стационарных значений коэффициента
двухпучкового усиления в кристаллах Вц/ПОго и [55*,56*]..........63
3.3 Формирование фоторефрактивной решетки в кристаллах с приложенным меандровым внешним полем................................................66
3.3.1 Методика численного анализа амплитуды поля пространственного заряда 66
3.3.2 Анализ зависимостей коэффициента двухпучкового усиления от пространственного периода решетки и средней интенсивности света [48*]....67
3.3.3 Анализ зависимостей коэффициента двухпучкового усиления от амплитуды и частоты внешнего поля [48*]............................................71
3.4 Экспериментальные результаты исследования кристалла В^ЭЮго^с! с приложенным меандровым внешним полем [48*]...............................73
3.5 Выводы..............................................................77
Глава 4. Элементы систем оптической обработки информации на основе фоторсфрактивных эффектов в силленитах...................................78
4.1 Фоторефрактивные ячейки на кристаллах ВТО и ВБО.....................78
4.1.1 Усиление световых пучков в фоторефрактивных кристаллах............79
4.1.2 Оптическая память в фоторефрактивных кристаллах...................80
4.1.3 Характеристики фоторефрактивных ячеек на основе кристаллов силиката и
титаната висмута........................................................83
4.2 Гибридная оптическая бистабильность, использующая двухпучковос взаимодействие на фоторефрактивной нелинейности.........................86
4
4.3 Обращение волнового фронта в схеме петлевого резонатора на основе кристалла ВТО.............................................................93
4.4 Выводы................................................................95
Заключение................................................................96
Литература................................................................99
5
Введение
Проведенные за последние годы исследования взаимодействий световых волн на фоторсфрактивной нелинейности в электрооптических кристаллах
открывают широкие возможности применения фоторефрактивного эффекта [1,2,3,4,5,6]. Особый интерес представляют такие технические приложения, как усиление оптических изображений [1,2,3], запись, хранение и обработка информации оптическими методами [2,3,4], обращение волнового фронта [1,2,3,5], создание элементов для оптических ассоциативных устройств и нейрокомпьютеров [3,4,5,6] и др.
Взаимодействие света в таких средах происходит благодаря
фоторсфрактивному эффекту. Фоторефрактивные эффекты в кристаллах
силленитов изучаются более 20 лет. Кристаллы силленитов Bi|2Si02o, Bi|2Ge02o, Bi12Ti02o имеют малую элсктрооптичсскую постоянную по сравнению с такими фоторефрактивными кристаллами (ФРК), как ВаТЮ3, KNb03, LiNb03, барий-стронциевый ниобат. Однако, они имеют и существенные преимущества: работают в широком температурном диапазоне, хорошо переносят
технологическую обработку [1,2,7]. Для повышения фоторефрактивного отклика силленитов используются электрические поля, прикладываемые к ним [8,9].
Недавно в кристаллах титаната висмута (ВТО) наблюдались новые нелинейные эффекты, связанные с формированием фоторефрактивных пространственных солитонов [10] и фоторефрактивных поверхностных волн [11]. Данные явления связаны с формированием в кристалле поля пространственного заряда под воздействием неоднородного освещения и с модуляцией этим полем показателя преломления среды вследствие линейного электрооптического эффекта. Наиболее просто реализуемым эффектом в ФРК является двухпучковое взаимодействие. В процессе двухнучкового взаимодействия происходит, как правило, однонаправленный обмен энергией между пучками, и происходит либо усиление, либо ослабление сигнального пучка.
6
Для описания физических процессов формирования поля пространственного заряда, происходящих в ФРК при двухпучковом взаимодействии существует несколько физических моделей. В работе [12] Кухтаревым и др. была развита модель зонного переноса, в которой учитывается электронная и дырочная проводимость, фотогенерация и рекомбинация носителей заряда на глубоких донорных уровнях. Недостатком модели с глубокими донорами является то, что она не может объяснить все эффекты, обнаруженные в некоторых ФРК. Например, в некоторых кристаллах ВаТЮз существует нелинейная зависимость усиления при двухпучковом взаимодействии от интенсивности света [13,14], в то время как модель с глубокими ловушками этого не предсказывает. Модель с глубокими ловушками предсказывает экспоненциальный распад записанной фоторефрактивпой решетки в темноте, однако, в некоторых кристаллах был обнаружен двухскоростной распад [15,16,17]. Расхождения проявляются и в наличие фотоиндуцированного изменения поглощения и др.
Названные выше эффекты связывают с наличием в кристалле дополнительного мелкого ловушечного уровня. В работе [13] был впервые успешно введен в зонную диаграмму уровень мелких ловушек для описания изменения оптического поглощения и двухпучкового взаимодействия при диффузионном механизме записи в стационарном режиме в отсутствии внешнего поля и для описания также абсорбционной решетки. Проводились исследования влияния мелких ловушек на двухпучковое взаимодействие в кристалле силиката висмута при диффузионной записи в отсутствии внешнего поля [18]. В кристаллах силиката висмута и титаната бария с мелкими ловушками рассматривался двухскоростной темновой распад фоторефрактивной решетки [18].
Однако, подробных экспериментальных исследований и последовательного теоретического анализа зависимостей коэффициента усиления от интенсивности света, фотоиндуцированного поглощения от времени и других эффектов на основе модели зонного переноса для кристаллов силленитов с мелкими
7
ловушками, к которым могут также прикладываться внешние электрические поля, ранее не проводилось.
Целью настоящей диссертационной работы является теоретическое и экспериментальное исследования фотоиндуцированного поглощения света и фоторефрактивных эффектов в кристаллах силленитов с мелкими ловушками.
Методы исследования фоторефрактивных эффектов основывались на измерении различных зависимостей коэффициента усиления при двухпучковом взаимодействии.
Диссертационная работа состоит из четырех глав.
Первая глава носит обзорный характер и посвящена краткому описанию физических свойств кристаллов силленитов, зонной модели ФРК с одним ловушечным уровнем и теоретического анализа фоторефрактивных эффектов на основе решения материальных уравнений, описывающих эту модель, в приближении малых контрастов интерференционной картины. Описаны механизмы записи фоторефрактивной решетки без внешнего поля (диффузионный механизм) и во внешнем поле (дрейфовый механизм). Рассмотрена модель зонного переноса ФРК с дополнительным уровнем мелких ловушек, с которого возможно термическое возбуждение электронов в зону проводимости и соответствующая система материальных уравнений. В рамках этой модели рассмотрено фотоиндуцированное поглощение и диффузионный механизм записи фоторефрактивной решетки.
Вторая глава содержит результаты теоретического анализа и
экспериментальных исследований кинетики фотоиндуцированного поглощения света при включении освещения и его релаксации в темновых условиях в кристаллах с мелкими ловушками.
На основе полученных соотношений проведен численный анализ динамики этих процессов при различных интенсивностях света и параметрах модели кристалла с мелкими электронными ловушками. Проведено экспериментальное исследование фотоиндуцированного поглощения в номинально чистом кристалле титаната висмута. Из сопоставления экспериментальных данных с
- Киев+380960830922