Введение к работе
- з -
Актуальность темы. Развитие и практические приложения трехмерной голографии во многом сдерживаются отсутствием необходимых регистрирующих сред (PC). Для того, чтобы трехмерные свойства голограмм проявлялись наиболее ярко, толщина светочувствительного слоя, должна составлять ~100 мкм и более.-светочувствительные эмульсии, которые широко применяются в двумерной голографии (сереброгалоидные, на основе бихромированноя желатины и др.), обеспечивают фиксацию голограммы в слое толщиной не более ~20 мкм. Поэтому поиск и разработка PC для трехмерной голографии в настоящее время является насущной и актуальной проблемой, в значительной степени определяющей ее успешное развитие.
В разработке PC для' трехмерных пропускающих голограмм (ТПГ) наметились два подхода. Первый из них связан с усовершенствованием химико-фотографической обработки светочувствительной среды и представляет собой двухступенчатый процесс, на первой стадии -экспонировании фотослоя - PC играет пассивную роль, запоминая распределение интенсивностей проходящих через нее пучков. На второй стадии это распределение усиливается и фиксируется с помощью использования различных химико-фотографических обработок. Возможность, усиления и закреплени* действия излучения на PC обеспечивает двухступенчатому процессу такие важные преимущества, как высокая чувстьительность к записи и сохраняемость записанной голограммы. Однако эти материалы; оказываются не пригодными для решения задач оперативной записи, обработки и преобразования меняющихся во времени волновых фронтов, что требует многократной регистрации и стирания информации. ,
Второй путь заключается в переходе к PC, которые совсем не требуют какой-либо промежуточной обработки и изменяют свои оптические характеристики непосредственно под действием падающего на них излучения, формируя в, объеме среды динамическую голограмму. Д/я таких динамических голограмм стадии формирования и считывания оказываются нёразршю связанными и происходят одновременно, а сам процесс записи-считывания является одноступенчатым, что делает невозможным создание на их основе оптических элементов многократного использования и устройств хранения голограмм.
особое место в разработке PC для трехмерной голографии занимают Фотохромные системы на основе аддитивно окрашенных
щелочно-галоидных кристаллов (АОШГК) и халькогенидных стеклообразных полупроводников (ХСП). Эти материалы обладают многими преимуществами по сравнению с другими PC:' простотой изготовления; высоким разрешением на молекулярном уровне; многообразием фотоиндуцированных изменений; возможностью реализовать как динамическую, так и "архивную", а также и оптически реверсивную запись, не требующие для своей фиксации стадии химико-фотографической обработки. В связи с этим первыми PC, на которых было предложено осуществлять запись трехмерных голограмм и которые обладали всеми этими свойствами, были АОЩГК (Van Heerden p.j.//Appi. optics.- 1963.- v.2- p.392-400). однако указанные фотохромные PC не получили широкого использования из-за амплитудного характера записи и, как следствие, очень низкой (~ 12Ж) дифракционной эффективности (ДЭ) голограмм в АОЩГК и недостаточной изученностью механизма записи в ХСП.
Все эти недостатки, на наш взгляд, не носят принципиального характера. Действительно, изменение спектра поглощения .всегда сопровождается изменением дисперсии среды и, следовательно, существует возможность получить при записи в фотохромной среде не только амплитудную, но и фазовую модуляцию.: Тем самым, фотохромные системы открывают еще одну физическую возможность для получения нового класса ТПГ- амплитудно-фазовых. Кроме этого, большинство фотохромних преобразований в АОЩГК и ХСП являются электронно-ионными фотохимическими процессами и, следовательно, поддаются-термической активации, это делает возможным осуществление фиксации голограмм изменением .температуры материала.
Вышеперечисленное может служить достаточным -основанием для того, чтобы-исследования явлений, связанных с дифракцией света в ТПГ, полученных на основе фотохимических процессов В АОЩГК* и ХСП, образовали' свое самостоятельное научное направление. Более тщательное и разностороннее изучение указанных фотохромных систем с целью устранения характерных для них недостатков откроет новые возможности для практического применения оптической дифракции на трехмерных упорядоченных структурах и является безусловно актуальным для физики трехмерной голографии. ;
Цель работы заключалась в изучении механизмов термически активируемых фотохимических процессов в АОЩГК и ХСП, используемых для записи амплитудно-фазовых ТПГ с высокой да и создании на
-5-ИХ основе объемных молекулярных дифракционных структур для оптико-электронных устройств различного назначения.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие основные задачи:
разработать методики и провести комплексные исследования электрофизических и оптических свойств АОЩГК и ХОТ в процессе фотохимических превращений, ответственных за объемную гологра-фическую запись;
разработать методы контроля в широком спектральном диапазоне пространственной модуляции коэффициента поглощения и показателя преломления фотохромной среды в процессе формирования в ней амплитудно-фазовой ТПГ;
. - установить закономерности и механизмы управления параметрами материалов как сред для, записи амплитудно-фазовых ТПГ посредством различных факторов (состава, структуры, условий получения, облучения, термообработки и Др.);
- разработать на основе установленных закономерностей и
специфических свойств термически активируемых фотохимических
процессов в АОЩГК и ХСП новые способы объемной голографической
записи, обеспечивающей получение оптически устойчивой трехмерной
молекулярной дифракционной структурі' с управляемыми параметрами;
- изучить дифракцию света на таких структурах и разработать
на их основе оптические элементы для оптико-электронных уст-
эойств различного назначения.
Для решения поставленных задач использованы технологические йетоды управления свойствами материалов посредством легирования а примесями и изменением стехиометрии, а также методы когерент-юй оптики, голографии, диэлектрических потерь, спектроскопии, фотопроводимости. Работа.ь основном,8кспериментальная, отдельные->ззделы имеют методический и расчетно-аналитическиЯ характер.
Научная новизна результатов состоит в следующем: '".-. 1. Впервые на основе разработанных методов и-средств изме-«ний развит системный подход и проведены комплексные исследова-мя процесса записи и характеристик амплитудно-фазовых ТПГ в
ЮЩТК Й МОНОЛИТНЫХ ХСП. При ЭТОМ:
- экспериментально обнаружено наличие в таких материалах
«скольких юнкурирующих фотоиндуцированных процессов, приводя-;
(их к записи амплитудных и фазовых компонент голограммы, которые
не смещены или смещены по фазе на х относительно записывающей интерференционной картины.' Характер указанных процессов зависит от температуры, при. которой происходит запись голограммы!
при регистрации трехмерной пропускающей дифракционной решетки (ТПДР) использована система пространственной стабилизации записывающей интерференционной' картины;
измерена дисперсия амплитуд модуляции коэффициентов поглощения и преломления для ТПДР в широкой спектральной области, достаточной для применения соотношения крзмерса-Кронига;
выявлены новые эффекты, связанные с диффузией, избирательным разрушением и анизотропией центров светочувствительности и носителей информации, рассеянием. света,: несинусоидальностью
, профиля решетки, влияющие на свойства регистрируемых. ТПДР.
- селективные свойства амплитудно-фазовых ТПДР использованы
для создания приборов и устройств принципиально нового класса.
2. Впервые экспериментально проведен анализ физических причин, вызывающих феноменологически одни и те же явления диэлектрических потерь при объемно-зарядовой и дипольноЯ поляризации в АОЩТК и монолитных ХСП на основе сульфида мышьяка. При этом:
обнаружена зависимость релаксационных диэлектрических потерь от амплитуды прикладываемого напряжения;
выяснена природа релаксационных максимумов, относительно которых не было однозначного мнения;
осуществлен новый методический подход к измерению проводимости и фотопроводимости,-
- установлено наличие нескольких механизмов переноса.
носителей заряда в аз-s. При'низких температурах наблюдается
прыжковая проводимость, обусловленная туннельными переходами но
сителей с одного дефекта на другой, а при высоких - "зонная"
проводимость по делокализованным или локализованным состояниям
вблизи порога ПОДВИЖНОСТИ;
- обнаружена прыжковая фотопроводимость материалов системы
As-s нестехиометрического состава с избытком серы..
З.Впервые выполнен комплекс исследований по изучению основных изменений, происходящих в оптических, диэлектрических и фотоэлектрических свойствах АОЩГК и монолитных ХСП в процессе тер-мо- и фотохимических превращений. Экспериментально установлено:
- коагуляция F-центров в коллоидные центры приводит к гене-
рации свободных катионных вакансий и- центров акцепторного типа, которые находятся в термодинамическом равновесии, с коллоидами;
- ионные процессы, лимитирующие скорость' фотохимических
преобразований г-центров в АОЩГК, не зависят от вида „ примеси,
продуктов фотолиза и определяются подвижностью бивакансии с
энергией активации ~ 0,65 эВ;
в кристаллах кст с примесью кальция и гидроксильных ионов фотолиз F-центров (т>200С) сопровождается образованием продуктов, не поглощающих в видимой и ближней ИК-области спектра;
фотопотемнение и фотопросветление, наблюдаемые б as-s при Г>120С инициируются свободными носителями при участии собственных дефектов (D-центров) и не.являются взаимообратимыми. Фотопотемнение связано с перезерядкой, а фотопросветление - с уменьшением концентрации D-центров вследствие фотохимических реакций.
Практическая значимость
1. Развиты, элементы теории и методики исследования фотохимических процессов в диэлектриках и стеклообразных полупроводниках, а также определения оптических параметров амплитудно-фазовых ТПГ записанных на их основе.
Е. Разработаны PC, работающие в режиме записи негативного или позитивного изображения в реальном масштабе времени.
3. Предложена технология изготовления методами голографией оптики объемных дифракционных структур, представляющих собой комбинацию из ТПДР, На основе' таких- элементов разработаны оптико-электронные устройства различного назначения: для модуляции и стабилизации интенсивности светового луча, преобразования фазовых колебаний в амплитудные;, для разделения светового пучка с управляемым соотношением интенсивностей' разделенных пучков в интервале Оті; для измерения в автоматическом режиме линейных и угловых перемещений одновременно по двум координатам.
На защиту выносятся следующие основные положения:
-
Методы определения изменений коэффициента поглощения Аа и показателя преломления An в амплитудно-фазовой ТПДР.
-
Метод исследования электронно-ионных процессов. при фотохимических превращениях в диэлектриках и полупроводниках с ярко выраженными поляризационными и контактными явлениями.
-
Методика определения энергии образования собственных дефектов в ХСП состава дз-з путем исследования, фотоэлектрических
и оптических свойств материала в процессе дефектообразоьания.
4. Механизмы релаксационных диэлектрических потерь, электропроводности и фотопроводимости В ХСП И АОЩГК.
. 5. Механизмы термо- и фотохимического преобразования F-центров в более сложные центры окраски в аддитивно окрашенных кристаллах хлорида калия.
6. Обнаружение корреляции кинетик фотопроводимости и опти
ческого поглощения в процессе облучения образцов as-s интенсив
ным светом He-Ne лазера, что позволяет выяснить механизм фотохи
мических реакций, инициируемых свободными носителями.
7. Механизм фотостимулированного залечивания собственных
дефектов в стеклах системы as-s.
6. Механизмы высокотемпературной голографической записи в монолитных ХСП состава As-S и АОЩГК (А.с. № 1459490).
9. новые фотохромные кристаллы на основе АОЩГК, легирован
ных примесями, и способы оптической записи в них, применимые для
создания элементов оптических систем (А.с. №533079, №696523,
№666524, №1327705). *>
10. Технология изготовления методами голографной оптики
объемных дифракционных структур, представляющих собой комбинацию
из ТПДР и использование их в качестве оптических элементов для
оптико-электронных устройств различного назначения (А.6.
№1053056, №1437632, №1426166, №1657948, №1696655).
И. Обнаружение для несинусоидальных решеток с сильной связью не одного, а, как минимум, двух дополнительных колец рассеяния и их интерпретация. .
Апробация работы. Результаты диссертации двкладывались и обсуждались на Всесоюзной конференции "Физика диэлектриков и перспективы. ее развития" (Ленинград, 1973), Выездной сессии комиссии по химии фотографических процессов АН СССР, посвященной 250-летаю АН СССР (Одесса, 1974), Международной конференции "Аморфные полупроводники-78" (Пардубице, 1976), п Республиканской конференции "Фотоэлектрические явления в полупроводниках" (Одесса, 1962), Всесоюзном совещании "Фотохимические процессы регистрации голограмм" (Ужгород, 1982), vn Всесоюзном семинаре по оптическим и электрооптическим методам и средствам передачи, преобразования, переработки. и хранения информации (Москва, 1962}, v Всесоюзной конференции по голографии (Рига,
- 9 -1965), 69-ом. Конгрессе итальянского физического общества (Мессина, 1963), v Всесоюзной конференции "Бессеребряные и необычные фотографические процессы" (Суздаль, 1S66), Республиканской научно-технической конференции Толографический корреляционный анализ и регистрирующие среды" (Киев,1985), vi Всесоюзной конференции по голографии (Витебск, 1990), ш, iv Всесоюзных конференциях по физике и технологии тонких полупроводниковых пленок (Ивано-Франковск, 1980, 1993), Международном семинаре "lamiladi5-9i", Лазерная микротехнология и лазерная диагностика поверхности (Черновцы, 1991), 15 и 16-ой научно-технических конференциях "Высокоскоростная фотография, фотоника и метрология быстропротекающих процессов" (Москва, 1991, 1993), v Международной конференции по химическим сенсорам (Рим, 1994).
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 41 научной статье, 10 авторских свидетельствах, а также в 13 тезисах указанных выше конференций. Всего 64 публикации.
Участие автора в полученных результатах, изложенных в диссертации: автору принадлежит обоснование и выбор направления исследований, постановка всех задач на разных этапах выполнения работы, анализ теоретических и экспериментальных результатов, а также формулировка выводов и написание статей.
структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, она содержит 250 страниц машинописного текста, 109 рисунков и список литературы из 451 наименования. Общий объем работы 413 страниц.
