2
Содержание
Введение 6
1. Фотоиндуцированные явления в фоторсфрактнвиых кристаллах 25
1.1 Фоторефрактивный эффект в нецентросимметричных кристаллах 25
1.1.1 История открытия фоторефрактивного эффекта 25
1.1.2 Применения фоторефрактивного эффекта 26
1.2. Механизмы фоторефрактивного эффекта 27
1.2.1 Интерференция света при двухпучковом взаимодействии 27
1.2.2 Одноуровневая модель зонного переноса 29
1.2.3. Диффузионный, дрейфовый и фотовольтаический механизмы переноса зарядов 31
1.2.4. Двухуровневая модель переноса зарядов и фотоиндуцированное поглощение света 34
1.2.5. Модель с двукратно ионизируемыми донорными центрами
и мелкими ловушками 36
1.3. Двухпучковое взаимодействие света на фоторефрактивных решетках 38
1.3.1. Геометрия встречного взаимодействия световых волн
в фоторефрактивных кристаллах 39
1.3.2. Динамические отражательные решетки в кубических фоторефрактивных кристаллах силленитов 40
3
2. Динамика фоторефрактнвного отклика в кристаллах силлснитов с двукратно ионизируемыми донорными центрами и мелкими ловушками 43
2.1. Основные уравнения и методика анализа 43
2.2. Динамика фоторефрактивного отклика кристалла на картину интерференции двух взаимно когерентных световых пучков 47
2.3. Влияние постоянного внешнего электрического поля на эффекты хранения и проявления фоторефрактивных решеток в кристаллах с двукратно ионизируемыми донорами и мелкими ловушками 56
2.3.1. Эффекты усиления скрытого изображения при приложении внешнего поля и его проявления при включении считывающего
светового пучка 57
2.3.2. Эффект проявления голографической решетки при
приложении внешнего постоянного поля 61
2.4. Выводы 69
3. Динамика фотоиндуцированного поглощения света в кристаллах титаната висмута 71
3.1. Динамика фотоиндуцированного поглощения света в кристалле
В^ТЮго • Са при одноцветном облучении 72
3.1.1. Описание экспериментальной установки и методики эксперимента 73
3.1.2. Результаты экспериментального исследования
динамики фотоиндуцированного поглощения света 75
3.1.3. Численный анализ и обсуждение результатов 78
3.2. Фотоиндуцированное поглощение света в кристаллах титаната
висмута при двухцветном облучении 82
4
3.2.1. Описание экспериментальной установки и методики эксперимента 84
3.2.2. Динамика фотоиндуцированного поглощения света при последовательном облучении кристалла в^тю*, :Са красным и инфракрасным излучением 85
3.2.3. Динамика фотоиндуцированного поглощения в кристалле
В112тю:0 :Са для света из красной и зеленой областей спектра 88
3.2.4. Теоретическая модель динамики фотоиндуцированного поглощения света при воздействии на кристалл двухцветного излучения 92
3.2.5. Численный анализ динамики фотоиндуцированного поглощения В кристалле В112ТЮ20:Са при двуцветном
облучении и обсуждение результатов 96
3.3. Выводы 99
4. Векторное двухволновое взаимодействие на отражательных голографических решетках в кубических гнротропных фоторефрактивных кристаллах 101
4.1. Общие уравнения 102
4.2. Анизотропия вкладов внутримодовых и межмодовых процессов во встречное взаимодействие 106
4.2.1. Анизотропия вкладов внутримодовых и межмодовых процессов во взаимодействие на отражательных решетках в кристалле титаната висмута 106
4.2.2. Анизотропия вкладов внутримодовых и межмодовых процессов во взаимодействие на отражательных решетках в кристаллах
В80, ВвО и ОаАэ 111
5
4.3. Двухпучковое взаимодействие линейно поляризованных волн 112
4.4. Поляризационные зависимости для взаимодействия линейно поляризованных волн на фазовых решетках в срезе (100) 114
4.5. Экспериментальное исследование поляризационных зависимостей при встречном двухпучковом взаимодействие В кристалле В^ТЮ*, :Ре,Си
среза (100) 118
4.6. Выводы 119
Заключение 121
Список литерату ры 125
Приложение
140
6
Введение
Актуальность темы. Большой интерес к фоторефрактивным кристаллам не угасает с момента открытия фоторефрактивного эффекта и связан с возможностью их использования для приложений нелинейной оптики: в устройствах динамической голографии, оптической памяти, усиления оптических изображений, обращения и самообращения волнового фронта, и многих других. Своими особенностями данные кристаллы обязаны электрооптическому эффекту и возможности образования поля пространственного заряда под действием неоднородного освещения, что позволяет записывать и хранить в этих кристаллах объемные фазовые голограммы (М/7. Петров, С.И. Степанов, A.B. Хоменко (1992)).
В ряде кристаллов (Bi^SiCbo, Bi^TiC^o, ВаТЮз, KNbOjîFe) формирование фоторефрактивных голограмм сопровождается значительным фотоиндуцированным поглощением света, оказывающим заметное влияние на характеристики устройств на их основе. Явление фотоиндуцированного поглощения света традиционно связывают с наличием в кристаллах, наряду с донорными, мелких ловушечных уровней, имеющих большее сечение фотоионизации (K. Buse (1997)). Для описания фотоиндуцированного поглощения и фотопроводимости в некоторых кристаллах применяются модели зонного переноса, включающие в рассмотрение несколько фотоактивных центров, способных находиться в различных зарядовых состояниях. Формирование поля пространственного заряда при записи голограмм в таких кристаллах сопровождается образованием нескольких зарядовых решеток. Динамика их взаимодействия при формировании голограмм и релаксации в режиме хранения, а также при изменении внешних условий, может оказать существенное влияние на параметры фоторефрактивного отклика. В связи с этим знание механизмов данного явления имеет важное значение для описания динамических голограмм в фоторефрактивных кристаллах и проектирования устройств на их основе.
7
Привлекательными материалами для создания различных
фоторефрактивных устройств являются номинально чистые и легированные кристаллы титаната висмута (BißTiO^)* обладающие быстрым откликом при воздействии на них излучением из видимой области спектра, и малым удельным оптическим вращением. Однако формирование динамических голограмм в этих кристаллах сопровождается значительным
фотоиндуцированным изменением оптического поглощения, связанным со сложной структурой дефектных центров (О. V Kobozev, S.M. Shcmdarov et al. (1999)). Наличие таких центров приводит к различным эффектам, не описываемым в рамках традиционных моделей фоторефракции. Предполагаемое участие одних и тех же фотоактивных центров в процессах образования объемного заряда и фотоиндуцированного изменения
поглощения позволяет получить информацию о них из результатов экспериментальных исследований каждого из этих эффектов. Следует отметить, что для силленитов, к которым относится титанат висмута, установившиеся представления о типе фотоактивных дефектов и о зонной модели переноса заряда в настоящее время отсутствуют.
Использование попутного двухпучкового взаимодействия при записи голографических решеток не всегда позволяет добиться достаточно хорошей дифракционной эффективности в случае диффузионного механизма формирования поля пространственного заряда. Увеличение фоторефрактивного отклика, обычно достигаемое за счет приложения к кристаллу внешнего электрического поля с высокой напряженностью, делает данную схему мало привлекательной. В тоже время, увеличение амплитуды фоторефрактивной голограммы может быть реализовано при встречном распространении световых пучков (E.IO. Агеев, С.М. Шандаров и др.(2001)). В этом случае пространственный период объемной голограммы имеет наименьшее значение, увеличивая тем самым ее дифракционную эффективность.
8
Взаимодействие световых волн в кубических фоторефрактивных кристаллах на объемных голограммах сопровождается изменением поляризационного состояния светового поля, что делает необходимым использование векторных моделей для его описания. В кристаллах симметрии 23 изменение поляризации взаимодействующих волн происходит также вследствие естественной оптической активности. В результате при анализе встречного взаимодействия световых волн на отражательных голограммах в нецентросимметричных кубических фоторефрактивных кристаллах со сложной структурой дефектных центров необходимо также учитывать анизотропию электрооптического и фотоупругого вкладов в фазовую модуляцию оптических свойств среды полем пространственного заряда решетки и ее абсорбционную составляющую, эффекты поглощения света и истощения накачки. Однако изучение литературных данных показало, что такого полного анализа проведено не было.
Все вышеизложенное определило цель диссертационной работы.
Цель и задачи диссертационной работы.
Целью работы является исследование процессов формирования голографических решеток и развития фотоиндуцированного поглощения света в фоторефрактивных кристаллах с учетом сложной структуры дефектных центров и изменения внешних условий, а также влияния векторного характера светового поля на двухволновос взаимодействие на фоторефрактивных отражательных голограммах в нецентросимметричных кубических кристаллах.
Для достижения данной цели решались следующие основные задачи:
- разработка методики численного решения дифференциальных уравнений для фоторефрактивного кристалла с двукратно ионизируемыми донорными центрами и мелкими ловушками, и анализ
9
динамики формирования поля пространственного заряда в изменяющихся условиях;
- создание экспериментальной установки и проведение исследований по фотоиндуцированному поглощению света в кристалле титаната висмута при двухцветном облучении;
- разработка векторной модели встречного двухволнового взаимодействия световых пучков на отражательных голографических решетках в кубических фоторефрактивных кристаллах;
- изучение влияния анизотропии электрооптического эффекта на двухпучковое взаимодействие на отражательной голографической решетке в кубических фоторефрактивных кристаллах.
Методы исследования. Теоретический анализ динамики фоторефрактивного отклика основывался на модели зонного переноса для кристаллов, содержащих донорные и ловушечные центры. При численном моделировании для решения системы нелинейных дифференциальных уравнений использовался метод Эйлера.
При экспериментальном исследовании фотоиндуцированного поглощения в кристаллах титаната висмута использовалось некогерентное узкополосное излучение полупроводниковых светодиодов, исключающее образование фоторефрактивных голограмм.
При теоретическом анализе встречного двухволнового взаимодействия в кубических фоторефрактивных кристаллах использовался методы медленно меняющихся амплитуд и связанных мод, при этом учитывалась естественная оптическая активность, дополнительный фотоупругий вклад в модуляцию оптических свойств среды фазовой компонентой голографической решетки, и ее абсорбционная составляющая.
10
Основные научные положения, выносимые на защиту:
1. В кристаллах с монополярной электронной проводимостью, фотоактивными мелкими ловушками и двукратно ионизируемыми донорными центрами фоторефрактивные голограммы усиливаются в темновых условиях при приложении внешнего постоянного электрического поля и проявляются при включении считывающего светового пучка, вследствие пространственного сдвига соответствующих зарядовых решеток относительно их первоначального положения, связанного с неоднородностью тока проводимости.
2. Ловушечные центры, обусловливающие фотоиндуцированное поглощение света в легированных кальцием кристаллах титаната висмута, не являются мелкими, и соответствующие им энергетические уровни расположены в запрещенной зоне на расстояниях, превышающих 1,42 эВ от дна зоны проводимости.
3. В кристаллах титаната висмута вклад фазовой составляющей отражательной голографической решетки в межмодовые процессы взаимодействия, происходящие с изменением показателя преломления собственных волн, отсутствует в кристаллографических плоскостях типа {100} и достигает максимальных значений при ориентации вектора решетки в плоскостях типа {ПО}, вдоль кристаллографических направлений вида <111>.
4. Анизотропия электрооптического эффекта в кубических фоторефрактивных кристаллах приводит к тому что, вклад фазовой составляющей отражательной голографической решетки во внутримодовые процессы взаимодействия достигает максимума при ориентации вектора решетки вдоль кристаллографических направлений вида <100> и отсутствует при ориентации вектора решетки вдоль направлений вида <110> и <111>.
11
Достоверность результатов
Достоверность теоретической части работы обеспечивалась использованием обоснованных приближений (метод медленно меняющихся амплитуд, адиабатическое приближение и др.).
Корректность проведенных численных расчетов и выбранного шага дискретизации подтверждается сравнением с другими вычислениями, имеющими более высокий порядок точности.
Достоверность экспериментальных результатов базируется на использовании измерительных приборов с известными характеристиками, имеющих цифровой выход; на обработке большого массива экспериментальных данных, позволяющей оценить случайные погрешности изхмерений, которые не превышали 5%; а также на применении методов минимизации систематических погрешностей.
Достоверность первого положения подтверждается тем, что на его основе могут быть объяснены результаты экспериментов, описанных М.П. Петровым, М.Г. Шмелиным, и др. (1985).
Достоверность третьего и четвертого положений подтверждается отсутствием противоречий с результатами других работ (А. Г. Мартьянов, С. М. Шандаров и др. (2002)).
Научная новизна:
1. Выведены уравнения для первых пространственных гармоник зарядовых решеток в кристаллах с двукратно ионизируемыми донорными центрами и фотоактивными мелкими ловушками, на основе которых разработана методика численного анализа динамики поля пространственного заряда фоторефрактивной голограммы при изменяющихся внешних условиях ее формирования, хранения и восстановления.
2. Предложена и экспериментально реализована методика исследования динамики фотоиндуцированиого поглощения света в фоторефрактивных
12
кристаллах при двухцветном облучении квазимонохроматическим излучением полупроводниковых светодиодов.
3. Развита самосогласованная векторная модель встречного двухволнового взаимодействия световых пучков на отражательных голографических решетках в кубических фоторефрактивных кристаллах, принимающая во внимание естественную оптическую активность, дополнительный фотоупругий вклад в модуляцию оптических свойств кристалла, абсорбционную составляющую решетки, а также эффекты фотоиндуцированного поглощения света и истощения накачки.
Научная ценность:
1. Проведенный численный анализ динамики формирования поля пространственного заряда в кристаллах с фотоактивными мелкими ловушками и двукратно ионизируемыми донорными центрами позволил дать теоретическое описание наблюдаемых ранее экспериментально эффектов усиления скрытой голограммы в темповых условиях при приложении внешнего электрического поля и ее проявления при включении считывающего светового пучка.
2. Развитая модель перезарядки дефектных центров позволяет удовлетворительно описать динамику фотоиндуцированного поглощения света в кристаллах в1,2тю20:Са при двухцветном облучении и делает возможным прогнозирование влияния посторонней засветки на характеристики устройств динамической голографии на основе кристаллов титаната висмута.
3. Проведен полный анализ анизотропии вклада фазовой составляющей отражательной голографической решетки во внутримодовые и межмодовые процессы взаимодействия в кубических фоторефрактивных кристаллах, позволяющий определить ориентации вектора
- Київ+380960830922