Динамическое взаимодействие света с квадратичными электрооптическими средами

СОДЕРЖАНИЕ
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ.....................................................5
Обозначения некоторых физических величин..............................6
В БДЕНИЕ..............................................................9
1. Глава 1. Оптические среды и эффекты для управляемой модуляции света
1.1. Введение......................................................21
1.2. Структура и ЭО эффект кислородно-октаэдрических сегнетоэлектриков............................................21
1.3. Фоторефрактивные свойства кристаллов ииобата бария - стронция
[17]............................................................30
1.4. ЭО и фоторефрактивные свойства ссгнетокерамики ЦТСЛ...........41
1.5. Эффект фоторефракции. Детальное рассмотрение
1.5.1. Одноуровневая модель зонного переноса....................49
1.5.2. Двухуровневая модель зонного переноса....................54
1.6. Повышение чувствительности фоторефрактивной записи ЦТСЛ сегнетокерамики....................................................60
1.7. Основные результаты и выводы..................................68
2. Глава 2. Управляемые дифракционные структуры в ЭО средах
2.1. Введение. Дифракционные методы амплитудной модуляции..........69
2.2. Дифракция света на периодических фазовых структурах в средах с линейным ЭО эффектом...............................................76
2.3. Дифракция света на периодических фазовых структурах в средах с квадратичным ЭО эффектом......................................... 82
2.4. Самодифракция света на динамических решетках в средах с квадратичным ЭО эффектом: кристалл НБС........................90
2.5. Самодифракция света на динамических решетках в средах с квадратичным ЭО эффектом: сегнетокерамика ЦТСЛ................94
2
2.6. Управляемая самодифракция света на динамических решетках 1 •
рассеяния в средах с квадратичным ЭО эффектом: сегнетокерамика ЦТСЛ ........................... ;.............................. ..100
2.7. Основные результаты и выводы........................... ;......102
3. Глава 3. Физические основы и методы динамической голографии в сегнетоэлектриках
3.1. Введение. Двухпучковые схемы................................... 104
3.2. Основные уравнения динамической голографии........................108
3.3. Фоторефрактивный эффект в ЭО кристаллах..................................113
3.3.1. Режим низкой фотогенерации носителей при неистощимой накачке..................................................114 .
3.3.2. Квазистатическос приближение (адиабатическое приближение).. 115
3.3.3. Приближение теории возмущений................................115
3.3.3.1. Синусоидальное фотовозбуждение при малой модуляции.. 116
3.3.3.2. Стационарные решения....:............................. 118 .
3.4. Динамическая голография для сред с квадратичным ЭО эффектом
3.4.1. Случай монополярной проводимости [107] 121 •
3.4.2. Случай биполярной модели проводимости, ЦТСЛ керамика , ‘ •
[144].................................................. 124
3.5: Основные результаты и выводы..............................................128
4. Глава 4. Динамическая голография в ЭО средах с учетом наведенного поглощения
4.1 . Введение. Статическая дифракция света на рассогласованных
амплитудных и фазовых решетках 129 ;•
4.2. Статическая ам плиту дно-фазовая голография в ЭО средах [146].....131
4.3. Динамическая амплитудно-фазовая голография в ЭО средах .
4.3.1. Случай монополярной проводимости [150]..:....................137
4.3.2. Случай биполярной проводимости [151].........................145
4.4. Основные результаты и выводы......................................152
3
5. Глава 5. Особенности дифракции света на голографических решетках в ЭО средах с фотоиндуцированным рассеянием
5.1. Модель усредненной волны рассеяния[112]......................154
5.1.1. Нелинейное решение [157]................................159
5.2. Модель многих волн рассеяния [163]...........................165
5.2.1. Нелинейное решение [166]................................175
5.3. Основные результаты и выводы.................................180
6. Глава 6. Дифракционно-оптический голографический метод исследования наведенного поглощения
6.1. Введение.....................................................182
6.2. Основы двух пучкового голографического метода исследования наведенного поглощения [169]......................................186
6.3. Матричный анализ голографического метода исследования наведенного поглощения (пропускающая геометрия) [172].........................192
6.4. Голографический метод исследования наведенного поглощения (отражательная геометрия) [ 173]..................................199
6.5. Фазомодуляционное голографическое исследование наведенного поглощения в фотохромном стекле 1176].......................207
6.6. Основные результаты и выводы.................................223
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ...........................................224
Список литературы....................................................226
4
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ
Д1' - динамическая голография
ДР - дифракционная решетка
ДЭ - дифракционная эффективность
ОВФ - обращение волнового фронта
СЭ - сегнетоэлектрик
СЭО - стационарный энергообмен
УФ - ультрафиолет
ФИРС - фотоиндуцированное рассеяние света ФР - фоторефракция, фоторефрактивный ЭО - электрооптика, электрооп гический
5
Обозначения некоторых физических величин
а - поляризационная константа
- компоненты тензора обратной диэлектрической проницаемости
С- комплексная амплитуда электрического поля световых волн У-толщина
/>£• - электрическая индукция (смещение)
5О - фотоиндуцированное изменение индукции £> - коэффициент диффузии
е - заряд электрона
Е - напряженность постоянного электрического поля
Е - напряженность переменного электрического ПОЛЯ
Еч - максимальное поле пространственного заряда
Е0 - диффузионное электрическое поле
Е([ - дрейфовое электрическое поле
£* - постоянное поле записи
Е^о — постоянное поле считывания
Е,с - поле пространственного заряда
поляризационные коэффициенты %с - скорость термогенерации электронов
Ьик1 — компоненты ЭО тензора
/0,/- входная и выходная интенсивности
1ош ~ входная интенсивность т волны
/5- интенсивность сигнальной волны
/5 - интенсивность прошедшей сигнальной волны
/^•-интенсивность дифрагирующей сигнальной волны
/д — интенсивность опорной волны
/гя -интенсивность прошедшей опорной волны
1\ -интенсивность дифрагирующей опорной волны
- интенсивность усредненной волны рассеяния /фирс - интенсивность фотоиндуцированного рассеяния
- дрейфовый ток
у о - диффузионный ток У- полный ток
к- волновой вектор
кр - постоянная Больцмана
6
К - оптическая контрастность
К - волновой вектор решетки показателя преломления
и - дрейфовая длина носителей /о - диффузионная длина носителей 15С - длина экранирования
/£- длина затягивания носителей внешним электрическим полем Е
т - коэффициент модуляции, контраст /До — отношение входных интенсивностей
п - показатель преломления,
Ап, п\ - амплитуда изменения показателя преломления по - средний показатель преломления пе - концентрация свободных электронов щ - концентрация свободных дырок N0 N. - концентрация донорных и акцепторных центров N^0 №и - концентрация ионизированных донорных и акцепторных центров Ы* се, ЬГа, - концентрация ионизованных донорных и акцепторных компенсирующих центров
Р - поляризация
/*у - ЭО коэффициент линейного эффекта Поккельса
£
гч - сумма линейных ЭО коэффициентов по выделенному направлению кристалла
Дук _ ЭО коэффициент квадратичного эффекта
£ - сечение фотоионизации, чувствительность к фоторефракции
Т- абсолютная температура
а - коэффициент поглощения
а0 - средний коэффициент поглощения
Аа, а! - амплитуда изменения коэффициента поглощения
Р - квантовый выход
X — восприимчивость, константа связи
8, ег - диэлектрическая проницаемость
80 - диэлектрическая проницаемость вакуума
е - тензор линейной части диэлектрической проницаемости
7
7я - коэффициент рекомбинации носителей заряда уе— коэффициент рекомбинации электронов 7/,- коэффициент рекомбинации дырок Г - коэффициент голографического усиления
р - дифракционная эффективность
у - угол фазового рассогласования
к - комплексная постоянная взаимодействия волн
X - длина волны
Л - период голографической решетки
р - подвижность носителей
0о - угол падения волны
0, - угол распространения ГоП волны
р - объемный заряд р — волновой вектор опорной волны
а - волновой вектор сигнальной волны
а - сечение поглощения примесного центра
Отм— удельная темновая проводимость
афр - удельная фотопроводимость проводимость
т - время жизни носителей
Х/х- время диэлектрической релаксации
со - частота
^ - коэффициент компенсации £ - обобщенная координата
8
ВВЕДЕНИЕ
Оптическая электроника (фотоника) является бурно развивающейся областью науки и техники, исследующей распространение (дифракцию), преобразование (интерференцию, модуляцию), усиление (генерацию) световых потоков, а также регистрацию оптических изображений [11 при взаимодействии фотонов со средой. Эти взаимодействия могут происходить на поверхности или в объеме среды, в пленке или в волокне и, соответственно, они изучаются в оптике сплошных сред, интегральной и волоконной оптике. С появлением источников когерентного света (лазеров), пространственное распределение излучения которых характеризуется многочисленными управляемыми параметрами, в развитии оптической электроники решающую роль приобрело создание эффективных методов управления излучением для ввода информации в световой поток. Наиболее актуальными направлениями оптической электроники являются разработки и исследование методов модуляции (управления и преобразования) когерентного оптического излучения.
Информация в световой поток может, быть введена посредством модуляции его по амплитуде, фазе, частоте, поляризации или по направлению распространения при использовании разнообразных физических явлений [2]. В электронике основным переносчиком информации является электрический сигнал, соответственно, наибольшее развитие получили электрооптические (ЭО) методы модуляции светового потока при взаимодействии оптического излучения с потенциало-чувствительными средами [3]. Это взаимодействие приводит к преобразованию электрического сигнала в оптический, т.е. к осуществлению преобразования "сигнал - свет". Кроме преобразования одномерных сигналов, традиционных для обычной электроники, оптическая электроника может преобразовывать двумерные массивы информации -оптические изображения. Введение изображений в световой поток может реализовываться не только путем последовательных операций, как например, с помощью телевизионной техники, осуществляющей преобразование “свет -
9
сигнал - свет", но и непосредственно (преобразование "свет - свет") при использовании фотофизических явлений, происходящих в модулирующих средах. В ЭО средах основным фотофизическим явлением, используемым, для управляемого преобразования "свет - свет", является эффект фоторефракции (ФР). Этот эффект заключается в изменении показателя преломления под действием оптического излучения и находит применение, в основном, для записи фазовых голограмм в системах оптической памяти [4].
Основополагающими тенденциями развития ЭО методов модуляции светового потока являются создание высокоэффективных ЭО материалов, а также исследование и разработка новых явлений и принципов построения модуляторов, затворов, дефлекторов, основанных на взаимодействии ЭО и фотофизических явлений в модулирующих средах, применяемых в волоконной и интегральной оптике и в будущем - при построении оптических компьютеров. Все это определяет актуальность исследований, представленных в диссертации.
Цель настоящей работы, в общем виде, направлена на выявление и объяснение новых закономерностей явлений взаимодействия когерентного света с ЭО средами с квадратичным ЭО эффектом и влияния фотоиндуцированного рассеяния на взаимодействие световых пучков в ЭО средах. Для достижения указанной цели следует решить ряд конкретных задач, основные из которых могут быть сформулированы следующим образом:
- выявление особенностей явления фоторефракции в сегнетоэлектрических (СЭ) средах со сложной структурой фотовозбуждасмых уровней носителей заряда, а также изучение возможности многоступенчатого фотовозбуждения носителей;
- разработка способов модуляции когерентного* излучения основанных на самодифракции света на динамических голографических структурах в СЭ с квадратичным ЭО эффектом;
- развитие новых представлений о механизмах и параметрах голографического взаимодействия световых пучков в СЭ средах и влияния на него биполярной проводимости;
- развитие теоретических представлений о самодифракции света в ЭО средах для общего случая светоиндуцированной амплитудно-фазовой модуляции их свойств;
- выявление особенностей взаимодействия световых пучков в ЭО ФР средах с фотоиндуцированным рассеянием света;
- нахождение физических закономерностей, позволяющих установить связь между наведенным поглощением в среде и характеристиками взаимодействующих пучков.
Исходные предпосылки исследований диссертационной работы опираются на то, что было сделано предшественниками в разработке исследуемых проблем. Взаимодействие света со средой определяются механизмами его поглощения, которые могут быть описаны на основе одно- и двухуровневых энергетических зонных моделей. Двухуровневая зонная модель была предложена Valley G.C. [74] для объяснения стирания голографических решеток в кристаллах Bil2Ge02o и Bi^SiCbo-
Однопучковая управляемая модуляция света при его дифракции на голографических решетках в СЭ кристаллах с линейным ЭО эффектом за счет изменения брэгговских условий дифракции изучались в работах Степанова
С.И., Камшилина Л.Л., Петрова М.П., Петрова В.М., Шамрая A.B. [89-96].
Управляемая однопучковая дифракция света на голографических решетках в квадратичных ЭО средах, таких как прозрачная ЦТСЛ сегнетокерамика и кристаллы SBN продемонстрирована в работах Thaxter J.B., Micheron F., Rouchon J.M. [19-22, 99].
Теория динамической голографии в ЭО средах разрабатывалась для частного случая фазовых голографических решеток в работах Ninomiya Y., Huignard J.P., Micheron F. [134, 135], исследовалась в работах Сидоровича В.Г. и Стаселько Д.И. либо для чисто фазовых [136], либо для чисто амплитудных решеток [152] и Шандарова С.М. и сотрудников для амплитудной записи в работах [83, 84], либо для фазовой записи в работах [72, 178] и доведена до логического завершения в работах Кухтарева Н.В. и сотрудников [37, 39, 99, 102, 104, 108, 145] для чисто фазовой записи.
11
Многоволновой анализ связанных световых волн: двух основных волн и Лг- слабых волн в средах с локальным откликом проведен в работе 8о1утаг Б., 8утв Я. Я. А. [165].
Особенности однопучковой дифракции света на рассогласованных фазовых и амплитудных голографических решетках изучались в работах СшЫ1аШе Б., СаКю М.Ь. [147, 149].
Двухиучковая фазомодуляционная голофафическая методика исследования наведенных изменения параметров фотохромных и фоторефрактивных сред разрабатывалась в работах СеЫТг М., Ртз1 Б, ВгаисЫс
С. [168] и Кожевникова Н.М. с сотрудниками [177].
Научная новизна диссертационной работы заключается, в основном, в следующем:
1. Продемонстрирована возможность голографической записи в прозрачной ЦТСЛ ссгнетокерамике длинноволновым неактиничным когерентным излучением, методом перераспределения заряда фотовозбужденных мелких уровней, предварительно заполненных при фотовозбуждении светом коротковолнового диапазона.
2. Впервые показано, что двухпучковая самодифракция света на динамических голофафических решетках в средах с квадратичным ЭО эффектом является электроуправляемой за счет появления в светоиндуцированной пространственной модуляции показателя преломления вклада, пропорционального эффективному ЭО коэффициенту: (Я*Е0), последнее обстоятельство может служить основой для создания двухпучковых модуляторов света. Установлено, что коэффициент голофафического усиления Г в этих средах может иметь повышенное значение (~100 см-1), но сравнению с кристаллами, обладающими линейным ЭО эффектом и линейно управляется апекгрическим полем.
3. Развита теория нелинейной- динамической голофафической записи и энергообмена световых пучков для фоторефрактивных сред с квадратичным ЭО эффектом, которая удовлетворительно описывает наблюдаемые стационарные зависимости дифракционной эффективности голофафических
12
решеток г|(£) и коэффициента голографического усиления Г(£) от внешнего электрического поля. Установлено, что биполярная проводимость приводит к уменьшению значений дифракционной эффективности ц и коэффициента голографического усиления Г:
4. Впервые получено совместное решение волнового уравнения взаимодействующих световых волн и материальных уравнений среды в сегнетоэлектриках для общего случая самодифракции на амплитуднофазовых фотоиндуцированиых пространственных модуляциях среды.
5. Впервые в фотоиндуцированиых изменениях параметров сегнетоэлектриков принята во внимание пространственная модуляция коэффициента поглощения, обусловленная перераспределением поглощающих центров, что позволило объяснить экспериментально наблюдаемую асимметрию голографического усиления
взаимодействующих пучков. Амплитудная компонента
фотоиндуцированной модуляции коэффициента поглощения приводит к неравнозначности коэффициентов усиления (ослабления)
взаимодействующих пучков Г+, Г-.
6. В рамках предложенной модели, учитывающей модуляцию поглощения сегнетоэлектрической среды, возникающей при самодифракции
взаимодействующих световых пучков, получены выражения, описывающие влияние биполярной проводимости на значения дифракционной
эффективности ц и коэффициентов голографического усиления Г+, Г-.
7. Предложена трехволновая модель связанных световых волн: двух основных волн и усредненной волны рассеяния для описания влияния фотоиндуцированного рассеяния света на взаимодействие световых волн в сегнетоэлектриках.
8. Развита трехволновая нелинейная модель, описывающая влияние фотоиндуцированного рассеяния света на взаимодействие световых волн в сегнетоэлектриках. Показано, что фотоиндуцированное рассеяние света
13
ограничивает максимальное голографическое усиление, которое не может быть увеличено применением более толстых образцов.
9. Проведен многоволновой анализ связанных световых волн: двух основных волн и /V - рассеянных в средах с нелокальным откликом. Показано, что фотоиндуцированное рассеяние вызывает уменьшение максимальной интенсивности усиливаемого пучка и в меньшей степени влияет па интенсивность ослабляемого пучка.
10. Развита многоволновая модель нелинейного фотоиндуцированного рассеяния когерентного света в сегнетоэлектрических средах.
11. Предложен и разработан голографический метод измерения фотоиндуцированной пространственной модуляции поглощения в прозрачных средах, основанный на неравнозначности двухпучкового считывания рассогласованных амплитудных и фазовых решеток в фазомодуляционной схеме с дополнительной фазовой дифракционной решеткой.
Совокупность полученных в работе результатов лежит в основе нового научного направления исследований:
- физика двухпучковой и многопучковой самодифракции света в средах с квадратичным ЭО эффектом и фотоиндуцированным поглощением, а также в средах с фотоиндуцированным рассеянием света.
Результаты этих исследований были положены в основу создания новых методов измерения фотоиндуцированного поглощения.
Практическая значимость работы состоит в том, что с одной стороны теоретические выводы, экспериментальные результаты и практические рекомендации, содержащиеся в диссертации открывают неограниченные возможности для развития новых эффективных методов электроопгической амплитудной модуляции двухпучковых или многопучковых взаимодействий в средах с квадратичным электрооптическим эффектом в схемах, не содержащих анализаторы — поляризаторы, и управления дифракцией лазерного излучения
14
на основе нелинейно-оптических явлений в сегнетоэлектриках. Для этого, в частности, могут быть использованы:
1. Управляемая самодифракция света на динамических решетках в средах с квадратичным ЭО эффектом,
2. Учет того, что фотоиндуцированное рассеяние света в меньшей степени влияет на интенсивность ослабляемого пучка, чем — усиливаемого пучка. Поэтому, для повышения точности преобразования фазовой модуляции в амплитудную модуляцию, более информативным является использование ослабляемого пучка.
3. Особенности проявления фотоиндуцированного рассеяния света в сегнетоэлектриках указывают на то, что для достижения максимальной дифракционной эффективности голографических решеток необходимо, чтобы волновой вектор считывающего пучка имел положительную проекцию на направление энергообмена.
4. Разработанная дифракционно - оптическая голографическая методика исследования слабых наведенных поглощений прозрачных сред, вызываемых модулируемым излучением. Так, например, для исследования наведенного поглощения в материалах, применяемых для ЭО модуляторов света, знание которого может быть использовано для предупреждения- их оптического повреждения.
С другой стороны, в результате диссертационной работы разработаны и предложены новые концепции и физические модели, раздвигающие рамки наших познаний о свойствах сегнетоэлектриков при их взаимодействии с когерентным излучением. Это позволяет сейчас и в будущем, получать новую, необходимую исследователям информацию. К основным, из таких моделей и теоретических разработок можно отнести следующие:
о амплитудно-фазовая: модель пространственной модуляции свойств среды когерентным интерференционным полем с динамической самодифракцией световых пучков, не противоречащая основным экспериментальным наблюдениям и позволяющая описывать асимметрию энергообмена
взаимодействующих световых пучков для фоторефрактивных сред, пригодная для получения информации о наведенном поглощении света в ЭО средах;
о теоретическая разработка проблемы дифракции когерентного света в условиях фотоиндуцированного рассеяния, которая позволяет оценить и предсказать поведение брэгговских дифрагирующих пучков в нелокальных средах с квадратичным ЭО эффектом;
о концепция пространственной модуляции поглощения, сопровождающая эффект фоторефракции, позволяет дать более адекватную интерпретацию многих явлений, наблюдаемых при когерентной дифракции и интерференции света и служить основой создания новых методик исследований (например, асимметрия энергообмена световых пучков может быть использована для измерения наведенного поглощения в среде).
Разработанные модели электроуправления двухпучковой и многопучковой дифракцией света в квадратичных ЭО средах; амплитуднофазовый характер пространственной модуляции свойств среды когерентным интерференционным полем с динамической самодифракцией световых пучков и влияние фотоиндуцированного рассеяния на взаимодействующие световые пучки в этих средах неоднократно подтверждались экспериментально.
В результате проделанной работы разработаны основы нового направления физики взаимодействия когерентного света с ссгнетоэлектриками: 1) с квадратичным ЭО эффектом; 2) для общего случая фотоиндуцировапной пространственной модуляции коэффициента поглощения и показателя преломления среды взаимодействующими пучками; 3) учитывающее фотоиндуцированиое рассеяние.
Положения, выносимые на защиту:
1. Метод фоторефрактивной записи длинноволновым неактиничным когерентным излучением в прозрачной сегнетокерамике, путем перераспределения заряда фотовозбужденных мелких уровней, предварительно заполненных коротковолновым фотовозбуждением.
2. Развитие теории динамического взаимодействия света с квадратичной электрооптической средой.
16
Показана возможность электроуправления самодифракцией спета на динамических голографических решетках.
3. Развитие теории динамического взаимодействия света со средой для общего случая амплитудно-фазовых фотоиндуцированных изменений параметров ЭО сред, учитывающее не только наведенное изменение показателя преломления, но и наведенное изменение коэффициента поглощения, позволяющее корректно описать самодифракцию света в сегнетоэлектриках.
4. Трехпучковая и многопучковая модели, описывающие влияние эффекта фотоиндуцированного рассеяния света на эффективность голографической записи и на взаимодействие световых пучков.
5. Голографический метод измерения наведенного поглощения в прозрачных средах, основанный на неравнозначности двухнучкового считывания рассогласованных амплитудных и фазовых решеток в модифицированной фазомодуляционной схеме с дополнительной фазовой дифракционной решеткой.
Публикации н апробация работы
По теме диссертации опубликовано 30 печатных работ. Основное содержание отражено в 25 работах, 21 из них в журналах списка ВАК:
1. Князьков, A.B. Матричный анализ голографического метода исследования наведенного поглощения / A.B. Князьков // Оптика и спектроскопия. 2010. Т. 109. № 5. С. 863-866.
2. Князьков, A.B. Двухпучковая и многопучковая управляемая модуляция в фоторефрактивных средах с квадратичным электроолтичсским эффектом / A.B. Князьков // Научно-технические ВЕДОМОСТИ СПбГПУ. 2010. Т. 3(96).
3. Князьков, A.Bi Фазомодуляционное голо!рафическое исследование наведенного поглощения в фотохромном стекле / A.B. Князьков // Научно-технические ВЕДОМОСТИ СПбГПУ. 2010. Т. 1(94). С. 85-90.
4. Князьков, A.B. Голографический метод измерения наведенного поглощения в оптических средах / A.B. Князьков // Научно-технические ВЕДОМОСТИ СПбГПУ. 2009. Т.3(83). С. 83-88.
5. Князьков, A.B. Голографический метод исследования модуляций коэффициента поглощения прозрачных сред / A.B. Князьков // Письма в ЖТФ. 2009. Т. 35. № 5. С. 73-79.
17
1
6. Князьков, A.B. Преимущества интерференционного метода исследования модуляций поглощения / A.B. Князьков // Научно-технические ВЕДОМОСТИ СПбГПУ. 2008. Т.6(70). С. 16-20.
7. Князьков, A.B. Основы дифракционно-оптического метода исследования наведенных модуляций поглощения прозрачных сред / A.B. Князьков // Научно-технические ВЕДОМОСТИ СПбГПУ. 2008. Т.3(59). С.114-118.
8. Князьков, A.B. Влияние фотоиндуцированного рассеяния света на дифракцию и энергообмен световых пучков в фоторефрактивных средах / A.B. Князьков, М.Н. Лобанов// Оптика и спектроскопия. 1988. Т. 64. №2. С. 410-414.
9. Князьков, A.B. Модуляция света электроупраляемым фогоиндуцированным рассеянием в ЦТСЛ керамике / A.B. Князьков,
М.Н. Лобанов//Письма в ЖТФ. 1988. Т. 14. С. 351-353.
10.Князьков, A.B. Голографическая запись иеактиничным излучением в ЦТСЛ-керамике с фогоактивной подсветкой / A.B. Князьков, М.Н. Лобанов // Письма в ЖТФ. 1987. Т. 13. № 12. С. 753-755.
11.Князьков, A.B. Особенности дифракции света на голографических решетках в средах с фотоиндуцироваиным рассеянием / A.B. Князьков, М.Н. Лобанов, С.А. Сергущенко // Письма в ЖТФ. 1986. Т. 12. № 5. С. 264-268.
12. Князьков, A.B. Фоторефрактивные свойства кристаллов ниобата бария — стронция и их применение в динамической голографии / A.B. Князьков, Ю.С. Кузьминов // Автометрия. 1988. № 5. С.19-26.
13. Kniazkov, A.V. The influence of light scattering on energy transfer in hologram recording in PLZT ceramics / A.V. Kniazkov, M.N. Lobanov, A. Krumins, J. Scglins//Ferroelectrics. 1986. V. 69. P. 81-87.
14. Князьков, A.B. Особенности взаимодействия световых пучков в электрооптических средах с амплитудно-фазовой записью динамических голограмм / A.B. Князьков, М.Н. Лобанов // Оптика и спектроскопия.
1985. Т. 59. №. 6. С. 1286-1289.
15. Князьков, A.B. Влияние амплитудной составляющей на свойства динамических голограмм в ссгнетоэлектриках / A.B. Князьков, М.Н. Лобанов // Письма в ЖТФ. 1985. Т. 11. №. 14. С. 882-887.
16. Князьков, A.B. Энергообмен фазомодулированных световых пучков в динамической голографии / A.B. Князьков, Н.М. Кожевников, Ю.С. Кузьминов и др.//ЖТФ. 1984. Т. 54. №9. С. 1737-1741.
17. Круминь, А.Э. Исследование фотоиндуцированного переноса заряда в прозрачной сегнетокерамике ЦТСЛ 9,2 голографическим методом / А.Э. Круминь, A.B. Князьков, A.C. Сайкин, Я.А. Сеглинъш // ФТТ. 1983. Т. 25. №5. С. 1570-1572.
18. Князьков, A.B. Влияние электрического поля на динамическую запись голограмм в кристалле ниобата бария — стронция, легированного церием / A.B. Князьков, Н.М. Кожевников, Ю.С. Кузьминов и др. // Письма в ЖТФ. 1983. Т. 9. № 7. С. 399-401.
18
19. Алексеев-Попов, A.B. Особенности записи объемных амплитуднофазовых голограмм в ЦТСЛ-керамике / A.B. Алексссв-Попов, A.B. Князьков, A.C. Сайкин//Письма в ЖТФ. 1983. Т. 9. № 18. С. 1 108-1112.
20. Butusov, М.М., Kniazkov A.V., Saikin A.S., Kukhtarev N.V., Krumins A.E. Stationar>- cnergy transfer controlled by applied fîeld at hologram formation in PLZT ceramics / M.M. Butusov, A.V. Kniazkov, A.S. Saikin, N.V. Kukhtarev, A.E. Krumins // Ferroelectrics. 1982. V. 45. № A P. 63-69.
21. Бутусов, M.M. Усиление световых пучков динамическими голограммами в ЦТСЛ-керамике / М.М. Бутусов, A.B. Князьков, А.Э. Круминь, II.В. Кухтарев, A.C. Сайкин//Письма в ЖТФ. 1981. Т. 7. № 15. С. 914-917.
Основные результаты работы прошли апробацию на: конференции “Лазеры, измерения, информация - 2010”, 2010, Санкт-Петербург;
5-ой Международной научно-технической конференции “Электрическая изоляция - 2010”, 2010, Санкт-Петербург; XVII Международной конференции “Лазерно-информационные технологии в медицине и геокологии”, 2009, Новороссийск; XIII Всероссийской конференции по проблемам пауки и высшей школы, “Фундаментальные исследования и инновации в технических университетах” 2009, Санкт-І Іетербург; Diffractive and Holographie Device Technologies and Applications IV, 1997, San José; Topical Meeting on Photorefractive materials, Effects and Devices II, 1990, Washington, D.C.; V Всесоюзной конференции “Оптика лазеров”, 1986, Ленинград; II межведомственном семинаре-выставке “Получение, исследование и применение прозрачной сегиетокерамике”, Рига, 1985; V Всесоюзной конференции по голоірафии, Рига, 1985; I межведомственном семинаре “Разработка, исследование и применение прозрачной сегнетокерамики”, Рига, 1982; IV Всесоюзной школы по оптической обработке информации, Минск, 1982; Международной конференции “Дефекты в диэлектрических кристаллах”, Рига, 1981;
Достоверность результатов. Достоверность полученных результатов подтверждается удовлетворительным совпадением теоретических и экспериментальных зависимостей. Созданные физико-математические модели
19
и аналитические методы позволили выявить и объяснить ряд эффектов, ранее не имевших научного объяснения, что также подтверждает достоверность полученных результатов. Ыа основании теории амплитудно-фазовой голографии был создан и протестирован дифракционно-оптический голографический метод исследования наведенного поглощения в прозрачных средах.
Личный вклад автора. Представленная работа - результат многолетних экспериментальных и теоретических исследований автора на кафедре физической электроники радиофизического факультета СпбГТУ. Основная часть результатов работы, выносимых на защиту, получена автором лично или под его руководством и при непосредственном его участии. Часть работ выполнена в соавторстве с сотрудниками отраслевых и академических научно-исследовательских институтов. Автору принадлежат постановки соответствующих задач, формулировка и реализация методов решения, анализ и интерпретация полученных результатов. Из материалов совместных публикаций в работе использованы лишь те результаты, в которых личный вклад автора был определяющим. Лично автором произведены экспериментальные и теоретические исследования, описанные в гл. 1-6, исключая теоретические исследования ФР чувствительности ЦТС Л керамики (гл. 1, раздел 4), выполненные совместно с А.Э. Круминь и теоретические исследования динамической фазовой самодифракции в квадратичных ЭО средах (гл. 3, радел 4), выполненные совместно с Кухтарсвым Ы.В., а также теоретические исследования статической амплитудно-фазовой голографии, выполненные совместно с Алексеевым-Поповым A.B. (гл. 4, раздел 2).
20
I
Глава 1. Оптические среды и эффекты для управляемой модуляции света
1.1. Введение
Наиболее потснциало-чувствительными средами и наиболее перспективными фоторефрактивными (ФР) средами являются сегнетоэлектрические (СЭ) кристаллы с кислородно-октаэдрической структурой, такие как ниобат и танталат лития (ЬПЧЬОз, ЫТа03), ниобат стронция бария (Вах5г1_чМЬ20б> НБС), титанат бария (ВаТЮз) и другие кристаллы [5, 6]. Особое место среди перспективных ЭО материалов занимает прозрачная СЭ керамика цирконата - титаната свинца, модифицированная лантаном (ЦТСЛ керамика), обладающая сильно выраженным квадратичным ЭО эффектом и достаточной чувствительностью ФР [7]. Кислороднооктаэдрические СЭ отличаются от широко используемых кристаллов К1ЭР и ЭКЮР не только высокими ЭО параметрами, более широким спектром пропускания (от 0,35 до 6 мкм), влагостойкостью, но и более высокой чувствительностью к эффекту ФР, который, в сочетании с квадратичным ЭО эффектом может существенно расширить функциональные возможности устройств преобразования лазерного излучения [8].
1.2. Структура и ЭО эффект кислородно-октаэдрических СЭ
Структуру кислородно-октаэдрических монокристалллов, являющихся сложными окислами, общая формула которых АВ03 (где А и В -разновалентные катионы металлов), для наглядности принято представлять как состоящую из выделенных группировок атомов. Этот прием облегчает восприятие как высокосимметричного кристалла, так и его низкосимметричных модификаций. В» структуре типа перовскита традиционно выделяют кислородные октаэдры {В06}, выстроенные вдоль основных кристаллографических осей симметрии (рис. 1.1, а), где в центральной части октаэдров находится переходный металлический ион В: Та, N6, Т1, а металлический ион А представляет собой двухвалентный ион РЬ, Ва. Каждый из атомов кислорода О принадлежит одновременно двум различным октаэдрам, поэтому разворот
одного звена (например, при прохождении температуры Кюри) вызывает движение всех звеньев решетки в плоскости ортогональной к оси вращения. В результате получаем новую структуру с изменившимися межатомными расстояниями и внутренними полями (рис. 1.1, б). Анализ возможных искажений, образующихся при вращении жестких октаэдров {ВОб} вокруг выделенных направлений, проводился в работах [9—11].
СЭ кристаллы в отсутствие внешнего электрического поля разбиваются на домены - области, внутри каждой, из которой векторы спонтанной поляризации отдельных частиц имеют одинаковое направление, так что домен в целом поляризован однородно. В свою очередь, домены взаимно ориентированы гак, что в целом кристаллы оказываются электрически нейтральны (рис. 1.2). В соседних доменах направление Р5 может быть противоположным или перпендикулярным (рис. 1.2, а). В электрическом поле в сегиетоэлектриках происходит их упругая электронная и ионная поляризация, а также неупругая доменная. Поэтому поляризацию можно представить как состоящую из двух компонент Р = Р5 + Рр, где Рх, - проекция вектора спонтанной поляризации на направление поля; Рр - поляризация смещения. Диэлектрическая проницаемость представляется в виде:
ег = 1 + 47с~ + 4тс— (1.1)
Е Е
В процессе доменной поляризации векторы Р$ доменов ориентируются по направлению электрического поля. Переориентацией направлений Р5 доменов объясняются характерные для сегнетоэлектриков нелинейные свойства: диэлектрический гистерезис (рис. 1.2, б) и зависимость их диэлектрической проницаемости от напряженности электрического поля Е.
Состояние поляризации СЭ монокристаллов определяется совокупным дипольным моментом всех доменов. Воздействие поля Е на среду вызывает ее поляризацию Р, которую можно представить в виде разложения:
/> = Х,Я+Х2£2 + Хз£3 + .... С1-2)
где Х( _ восприимчивости.
22