Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Фоторефр активный эффект в кварцевых стеклах для волоконной оптики (обзор литературы). 9
1.1 Применение фоторефрактивного эффекта в волоконной оптике 9
1.1.1. Основные свойства, методы записи и типы брэгговскихрешеток показателя преломления 9
1.1.2. Применения брэгговских решеток 15
1.1.3. Термоустойчивость брэгговских решеток 16
1.1.4. Другие применения фоторефрактивного эффекта 18
1.2 Методы исследования фоторефрактивного эффекта і 9
1.3 Механизмы фоточувствительности и модели фоторефрактивного эффекта 21
1.4 Выводы и постановка задачи 27
ГЛАВА 2. Экспериментальные методы изучения фоторефрактивного эффекта 28
2.1 Технология плазмохимического осаждения spcvd 28
2.2 Методика измерения спектральной зависимости фоторефрактивного эффекта 31
2.3 Экспериментальная методика исследования фоторефрактивного эффекта в пленочных структурах 37
2.4 Экспериментальные методики анализа фоторефрактивного эффекта в волоконных световодах. 42
2.4.1 Запись брэгговских решеток 42
2.4.2 Термический отжиг брэгговских решеток 43
2.4.3 Дифракционный анализ однородности брэгговских решеток. 46
2.5 Другие методы анализа экспериментальных образцов 50
2.6 Выводы 50
ГЛАВА 3. Спектральная зависимость фоторефрактивного эффекта 51
3.1 Методика анализа спектральной зависимости оторефрактивного эффекта. 51
3.2 Спектральная зависимость фоторефрактивного эффекта в диоксиде кремния с различным легированием . 56
3.3 Выводы 72
ГЛАВА 4. Фоторефрактивный эффект в пленочных структурах 73
4.1. Двухфотонное возбуждение и спектры поглощения пленочных образцов. 73
4.2. Эффект уплотнения стекла под действием уф излучения . 80
4.3 Выводы 87
ГЛАВА 5. Брэгговские волоконные решетки показателя преломления в азотосиликатных световодах 88
5.1. Динамика записи брэгговских решеток в азотосиликатных волоконных световодах. 88
5.2. Поведение брэгговских решеток типа і при термическом отжиге. 95
5.3. Динамика термического распада решеток типа иа. 111
5.4 Выводы 119
Заключение 121
Список литературы
- Другие применения фоторефрактивного эффекта
- Экспериментальная методика исследования фоторефрактивного эффекта в пленочных структурах
- Спектральная зависимость фоторефрактивного эффекта в диоксиде кремния с различным легированием
- Эффект уплотнения стекла под действием уф излучения
Введение к работе
Под фоторефрактивным эффектом (ФРЭ) понимается не релаксирующее при комнатной температуре изменение показателя преломления диэлектриков под действием оптического, как правило, лазерного излучения неразрушающей материал интенсивности. ФРЭ может играть негативную роль в технике. Так, изменение показателя преломления оптических систем и телескопов в космосе под действием ультрафиолетового и рентгеновского излучения приводит к расфокусировке и искажению изображений [1]. С другой стороны, данный эффект находит широкое применение в современной оптоэлектронике и волоконной оптике, являясь ключевым механизмом для создания целого ряда устройств. Так, благодаря ФРЭ, в волоконных световодах стало возможным создание решеток показателя преломления, выполняющих роль оптических фильтров, зеркал волоконных лазеров, чувствительных элементов датчиков физических величин [2-17]. ФРЭ может найти применение и в интегральной оптике для создания планарных волноводных структур как основы будущих оптических интегральных схем и процессоров [18]. Таким образом, изучение механизмов ФРЭ является на сегодняшней день актуальной задачей, решение которой может, с одной стороны, не только удешевить производство, но и создать новые элементы волоконной и интегральной оптики. С другой стороны это поможет избежать нежелательного проявления данного эффекта в точных оптических системах.
В волоконной оптике ФРЭ наблюдается в ряде легированных кварцевых стекол, использующихся для создания волоконных световодов и устройств на их основе. Его суть заключается в фотоиндуцированном изменении показателя преломления сердцевины световода, причем это изменение при комнатной температуре практически не релаксирует после прекращения процесса облучения. Эффект имеет место при облучении стекла излучением лазеров УФ диапазона. С практической точки зрения фоточувствительным можно считать стекло, показатель преломления которого изменяется более чем на 10"4 при
плотности дозы облучения до 100 кДж/см .
Среди фоточувствительных стекол для волоконной оптики наибольшее распространение получило кварцевое стекло, легированное германием. Это стекло является основным материалом сердцевины волоконных световодов для систем оптической связи [19-21]. Большинство внутриволоконных брэгговских решеток записываются в стандартном или высоколегированном германосиликатном волоконном световоде [2-5]. Иногда для повышения фоточувствительности такие световоды насыщаются молекулярным водородом, что при тех же условиях облучения увеличивает в несколько раз эффективность записи решеток [2-5,22,23]. Механизмы ФРЭ в кварцевом стекле, легированном германием, изучаются на протяжении двух последних десятилетий. За это время было предложено множество моделей, претендующих на полное или частичное объяснение природы ФРЭ [24-48]. Некоторые модели являются обобщенными и могут быть использованы для объяснения ФРЭ и в стеклах другого состава.
Менее распространенным фоточувствительным материалом для волоконной оптики является кварцевое стекло, легированное фосфором. Световоды с сердцевиной из такого стекла используются в рамановских усилителях и конверторах, а брэгтовские решетки, записанные непосредственно в фосфосиликатном световоде, образуют зеркала резонаторов [49-55].
Относительно новым фоточувствительным материалом для волоконной оптики является кварцевое стекло, легированное азотом. Световоды на основе азотосиликатного стекла были созданы в Научном Центре Волоконной Оптики при Институте Общей Физики РАН с помощью технологии плазмохимического осаждения низкого давления SPCVD [56-64]. Для производства азотосиликатных световодов используются только три наиболее распространенных элемента земной коры - кремний, кислород и азот. Дорогостоящий германий отсутствует, что делает данный тип световодов потенциально более дешевым. Световоды на основе кварцевого стекла, легированного азотом, не уступают по ключевым параметрам стандартным германосиликатным [56-58]. Кроме того, новый тип световода обладает целым рядом уникальных свойств, среди них высокая стойкость к воздействию ионизирующего излучения [58,59]. Волоконные решетки, записанные в азотосиликатном световоде, обладают высокой
термической устойчивостью, что особенно важно при использовании внутриволоконных решеток в качестве чувствительных элементов датчиков физических величин (температуры, напряжения, деформации, давления), способных работать в широком температурном диапазоне [62-64]. Также повышенная термическая устойчивость является гарантией длительной и качественной работы решеток и в стандартных условиях, где диапазон рабочих температур ограничивается 60-70 С [2,6,34,65-70]. Таким образом, волоконные световоды с сердцевиной из кварцевого стекла, легированного азотом, и устройства на его основе являются чрезвычайно перспективными. Поэтому экспериментальное исследование характеристик ФРЭ в данном типе световодов и стекол является актуальной задачей, решаемой в данной работе.
Для всестороннего исследования данного вопроса нами были использованы три экспериментальные методики.
Предложена и реализована методика исследования спектральной зависимости ФРЭ в объемных образцах стекла. На основе результатов данного исследования сделаны выводы о происхождении ФРЭ в азотосиликатном стекле, в сравнении со стеклами, легированными германием и фосфором. Такая методика для исследования ФРЭ ранее не применялась. Было показано, что ФРЭ в исследованных стеклах носит сложный, составной характер. На изменение показателя преломления в области высокой прозрачности стекла в большей или меньшей степени оказывают влияние изменения как в электронной (высокочастотной) части поляризуемости материала, так и в ионной (низкочастотной) составляющей.
Второй методикой является исследование ФРЭ в пленках. В работе изучались пленки толщиной ~10-20 мкм, легированные как азотом, так и германием. Пленки осаждались на кварцевых подложках с помощью технологии SPCVD. ФРЭ в пленках изучался посредством записи фазовой решетки с помощью эксимерного лазера. Анализировалась динамика записи и эволюция поверхности образца в процессе облучения. Был обнаружен и исследован эффект уплотнения стекла под действием облучения, определена его роль в формировании фазовой решетки. Было установлено влияние длины волны
облучения и роль многофотонного поглощения. В совокупности с результатами других экспериментов это позволило сделать вывод о существенном вкладе двухфотонного поглощения в ФРЭ в азотосиликатном стекле.
Третьей использованной нами методикой, являлось исследование ФРЭ методами волоконной оптики. Была исследована динамика записи брэгговских решеток и ее зависимость от плотности энергии лазерного УФ излучения в азотосиликатных световодах. Было проведено исследование динамики термического распада решеток и ее зависимость от режимов записи. На основе результатов экспериментов был сделан ряд выводов о природе ФРЭ в кварцевом стекле, легированном азотом.
Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения.
В первой главе сделан обзор литературных данных, касающихся природы ФРЭ в волоконных световодах и его применений. Рассмотрены существующие методики исследования. Сделан обзор предложенных ранее моделей эффекта в различных легированных кварцевых стеклах.
Вторая глава посвящена описанию экспериментальных методик, используемых в данной работе. Особое внимание уделяется описанию метода исследования и анализа спектральной зависимости ФРЭ в объемных образцах. Этот метод был использован нами впервые. Также описаны методики получения и характеризации экспериментальных образцов. Приведены схемы экспериментальных установок.
В третьей главе приводятся экспериментальные данные, и проводится анализ спектральной зависимости ФРЭ в объемных образцах. Описывается алгоритм математической обработки результатов эксперимента, дается интерпретация результатов экспериментов. Сделан вывод о влиянии электронной и ионной составляющих поляризуемости стекла на изменение показателя преломления под действием УФ-излучения.
В четвертой главе анализируются данные, полученные на тонких пленках. Сделан вывод о роли двухфотонного поглощения в механизме изменения показателя преломления. Наглядно продемонстрирован эффект деформации
поверхности пленки под действием облучения. Обсуждается роль этого процесса в образовании фазовых решеток.
В пятой главе приводятся экспериментальные данные по исследованию динамики записи и термического отжига брэгговских решеток, записанных в световодах из кварцевого стекла, легированного азотом. Проводится анализ полученных данных и их сопоставление с результатами предыдущих экспериментов, в том числе экспериментов с германосиликатными световодами. Предложено объяснение «необычной» эволюции решеток в азотосиликатных световодах в процессе отжига.
В заключении приведены основные выводы данной диссертационной работы.
Материалы, изложенные в диссертации, докладывались: на Международной конференции по химии высокочистых веществ (г. Нижний Новгород, 2000 г.), на Международной школе по дефектам в стекле (г. Ериче, Италия, 2000 г.), на XIX Международном Конгрессе по стеклу (г. Эдинбург, Великобритания, 2001 г.), на Международной школе по фоточувствительности (Санкт-Перербург, 2002 г.), на международной конференции по фоточувствительности и брэгговским решеткам BGPP (Монтере, США, 2003 г.), на международной европейской конференции по оптической связи ЕСОС (Римини, Италия, 2003 г.), а также неоднократно на семинарах НЦВО при ИОФ РАН и опубликованы в журналах «Квантовая электроника», «Electronics Letters», «Physics and Chemistry of Glasses», «Optics Communications».
Другие применения фоторефрактивного эффекта
Одним из основных методов исследования физических механизмов ФРЭ является изучение эволюции спектров поглощения стекла в ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах. Подобные исследования дают представление об изменении структуры стекла и дефектов в процессе облучения. Так, изменение полосы поглощения в результате облучения германосиликатного стекла вблизи длины волны 242 нм может дать представление об изменении концентрации германиевых кислородно-дефицитных центров (КДЦ) [24-29]. Также, изменение спектров поглощения в области вакуумного ультрафиолета позволило бы оценить изменение электронной части поляризуемости стекла. К сожалению, довольно затруднительно проведение прямых измерений в области фундаментального электронного поглощения из-за его большой величины. Поэтому обычно поддается измерениям только длинноволновый «хвост» этого поглощения. Его изменения могут быть измерены и, соответственно, сделаны лишь весьма приблизительные оценки изменения электронной структуры материала. Исследования спектров поглощения в инфракрасной области дает представление об ионной составляющей поляризуемости стекла. При невозможности проведения прямых измерений в области основных частот молекулярных колебаний используют рамановскую спектроскопию [30-31]. Также косвенным методом может служить оценка величины поглощения по коэффициенту отражения от поверхности стекла.
Распространенным методом исследования дефектов в стекле и их эволюции под действием УФ-излучения является метод, основанный на эффекте электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) [116,117]. Разные дефекты в стекле, такие как, например, германиевые Е -центры, имеют различные характерные линии ЭПР. По величине сигнала можно с хорошей точностью оценить количество дефектов данного вида в материале.
Одним из основных способов исследования ФРЭ является изучение брэгговских волоконных решеток. Исследование динамики записи решетки может дать представление о величине и пороге насыщения ФРЭ в данном типе стекла. Эволюция коэффициента отражения и брэгговской длины волны и их взаимная корреляция играют существенную роль в исследовании эффекта [22,37,38,54,55,91,95,96,102,118-120]. В зависимости от динамики их изменения можно определить форму и величину модуляции наведенного показателя преломления, косвенно обнаружить эффект уплотнения стекла и диффузии примеси материла сердцевины в процессе записи. Именно на брэгговских решетках была обнаружена фоточувствительность типа На [2,38,46,102].
Большую роль в изучении ФРЭ играет термическое исследование брэгговских решеток. Помимо важности для практического применения, рассмотренного выше, подобные исследования важны и с фундаментальной точки зрения. Известны два основных метода термического исследования решеток: изохронный, при котором образец отжигается непродолжительное время при ступенчато [6,64,67,97,110] или непрерывно [121] повышающейся температуре, и изотермический, при котором образец отжигается в течение долгого времени при неизменной температуре[6,34,66-68,70,93,94,107,108,122].
Изохронный метод позволяет быстро сделать качественные оценки термической стабильности брэгговской решетки, а также определить температурное изменение «обратимой» составляющей параметров решетки, что является важнейшей характеристикой решеток, использующихся как в системах связи и волоконных лазерах, так и в датчиках физических величин [69].
Изотермический метод исследования, прежде всего, важен для изучения механизмов распада фотоиндуцированных решеток в стекле. Так, благодаря именно такому методу исследования решетки была построена обобщенная феноменологическая модель возникновения и распада фотонаведенного показателя преломления (так называемая, модель Эрдогана [6,34,35]). Также изотермический отжиг позволил выявить до настоящего момента оставшийся без четкого объяснения эффект резкого полного распада решетки по истечении определенного времени [6] вопреки общепринятому степенному закону термического распада [6,34,35].
ФРЭ изучают и на тонких пленочных структурах [41,46-48,103,123-128]. Основные принципы исследования здесь являются такими же, как и в случае изучения брэгговских волоконных решеток. Однако физические явления, наблюдаемые в тонких пленочных структурах, могут сильно отличаться. Дифракция на записываемой решетке позволяет оценить величину наведенного показателя преломления [123], однако вклад в дифракционную картину может дать и эффект деформации поверхности пленки из-за уплотнения стекла. Эффект уплотнения может быть обнаружен с помощью профилометра - оптического прибора для определения рельефа поверхности, - или электронного микроскопа [89]. Подобные исследования удобно проводить именно на пленочных структурах. Также, в отличие от световода, где диаметр сердцевины из исследуемого материала, как правило, варьируется в пределах 2-7 мкм, в пленочных структурах материал рассредоточен на относительно большой площади, что облегчает постановку экспериментов.
Экспериментальная методика исследования фоторефрактивного эффекта в пленочных структурах
Призма, вырезанная из заготовки волоконного световода (вид сбоку). Измерения проводятся на участке сердцевины заготовки (рабочая область), ограниченном диафрагмой. всего измеряемого диапазона длин волн. Впоследствии для каждой длины волны находится максимум зависимости сигнала от угла.
Компьютер управлял монохроматором и механическим приводом поворотного столика, что позволило полностью автоматизировать процесс измерения (рис.2.5), при этом значительно повысив точность по сравнению с более ранними работами [154].
Исследования проводились в диапазоне длин волн 0,3-2,6 мкм с шагом 10-50 нм. В качестве фотоприемников использовался фотоумножитель ФЭУ-100 для диапазона 0,3-0,8 мкм и охлаждаемый фотодиод на основе InSb ФД-511 для диапазона 0,8-2,6 мкм. В качестве синхронного детектора использовался Lock-In Amplifier (Scitec Instruments). Программы управления установкой и обработки результатов эксперимента были написаны на языке Borland C++ 3.1 для DOS со вставками на языке Assembler.
Описанная схема позволяла измерить п(Х) с точностью лучше, чем 10 4. Для уменьшения случайной ошибки эксперимента измерения повторялись 2-3 раза, а результаты независимых измерений усреднялись.
После измерения начальной зависимости п(к) образец облучался эксимерным ArF (193 нм) или KrF (248 нм) лазером [147-151]. Длительность лазерных импульсов составляла 6-7 не. Плотность энергии в импульсе варьировалась от 75 до 300 мДж/см2. Частота следования импульсов была 100 Гц. Суммарная плотность экспозиционной дозы варьировалась от 1 до 40 кДж/см2.
Следует отметить, что эффективная поглощенная доза для разных образцов была различна. Так, образец, легированный фосфором, имеет коэффициент поглощения на длине волны 193 нм 2-3 дБ/мм поэтому в нем поглощалась лишь часть излучения. С другой стороны, образец, легированный германием, имеет поглощение на 2 порядка выше, и уже большая часть излучения поглощалась в приповерхностной области грани призмы, что резко снижало эффективную дозу при пересчете на использованную в эксперименте толщину данного типа стекла. Также следует иметь в виду, что распределение эффективной поглощенной дозы вдоль призмы также было различным. Поэтому результаты эксперимента можно оценивать только качественно, наблюдая
Монохроматор
Схема автоматизации экспериментальной установки для высокоточного измерения дисперсии показателя преломления в призменных образцах. Синхронный детектор подключен к компьютеру, что позволяет автоматически записывать сигнал с фотоприемника. Также компьютер управляет приводами монохроматора и поворотного столика с образцом, что позволило полностью автоматизировать процесс измерения. эффект изменения показателя преломления и форму спектральной зависимости эффекта. На основе полученных данных нельзя проводить сравнительную количественную оценку фоторефрактивности разных стекол [155].
После облучения рабочей зоны призмы вновь проводились измерения п(к). Спектральная зависимость ФРЭ вычисляется как разность дисперсионных кривых п(к) до и после облучения. Важным является тот факт, что для облучения образец не снимается с экспериментальной установки. Лазер был установлен непосредственно перед образцом. В этом случае основные статистические ошибки связаны с неточностью измерения углов установки призмы (іі, г2, 0 рис.2.3). Все погрешности эксперимента, которые могли возникать при снятии и повторной установке образца, были, таким образом, исключены.
Пленки были синтезированы методом SPCVD. Для этого подложки размером 50x10x3 мм из кварцевого стекла КУ-1 помещались в опорную кварцевую трубку. Режимы осаждения были такими же, как при обычном синтезе заготовок волоконных световодов.
На поверхность подложек наносился слой стекла исследуемого состава толщиной 10-20 мкм. Сверху синтезировался слой из нелегированного кварцевого стекла такой же толщины. В стекле, полученном методом SPCVD, практически не формируется ГКДЦ в стекле. При помощи последующей термической обработки, однако, можно повысить их концентрацию на 2-3 порядка [88-89,158]. С этой целью пленочная структура прогревалась сканирующим лучом СОг лазера при температуре на поверхности порядка 1700 С. Таким образом, формировались германиевые кислородно-дефицитные центры (ГКДЦ), которые, как было отмечено выше, могут являться инициаторами ФРЭ в стекле. Отметим, также, что такие условия прогрева характерны и для процесса коллапсинга заготовки световода и, тем самым, приближают свойства стекла пленочных образцов к стеклу сердцевины волоконного световода. Кварцевые образцы, легированные азотом, не подвергались последующей термической обработке, поскольку при высоких температурах азот начинает сильно диффундировать из легированного слоя в оболочку [61].
Анализ ФРЭ в пленочных образцах производится с помощью нескольких методик. Измерялись спектры поглощения образцов в области 190-360 нм, а также их эволюция под действием облучения эксимерными лазерами как функция экспозиционной дозы. Поглощение азотосиликатного образца на длине волны 193 нм измерялось in-situ при непрерывном облучении ArF эксимерным лазером. За образцом был установлен измеритель мощности, фиксировавший изменение прошедшего излучения со временем.
Схема экспериментальной установки для наблюдения ФРЭ в пленках непосредственно в процессе облучения представлена на рис.2.6. Излучением эксимерного лазера через амплитудную маску (а не через фазовую, как в [123]), в пленочном образце записывалась фазовая решетка. Амплитудная маска, с помощью которой производилась запись, представляла собой двумерную периодическую структуру в виде металлической сетки с периодом 200 мкм. Уменьшенное изображение сетки формировалось на поверхности пленки. Отличительной особенностью данной методики экспонирования является то, что маска находится на расстоянии от образца (рис.2.7). Именно такая схема позволила наблюдать запись фазовой решетки на образце либо непосредственно в процессе облучения, либо в промежутке между короткими сериями импульсов без снятия образца и маски с установки, что позволило прослеживать динамику наведения решетки [89,92,158]. Период уменьшенного изображения составлял 70 мкм.
Спектральная зависимость фоторефрактивного эффекта в диоксиде кремния с различным легированием
Очевидно, что и с математической, и с физической точки зрения не имеет смысла суммировать по всем типам осцилляторов в отдельности. Для анализа дисперсии показателя преломления вдали от резонансных частот достаточно объединить общие типы осцилляторов в одну группу, фактически проинтегрировав все составляющие в отдельности. Для оптической области прозрачности стекла такими группами могут быть: 1) все электронные переходы, включая возбуждение электронов внутренних орбиталей, т.е. вся предыстория диэлектрической проницаемости для диапазона (0-Я,]; 2) Основные колебания атомного остова сетки стекла лежащие, в основном, в дальнем ИК-диапазоне. Фактически, первая группа отвечает за электронную составляющую поляризуемости стекла, а вторая - за ионную.
Таким образом, очевидно, что введение коэффициентов Зельмейера (3.9) может быть оправдано и с физической точки зрения и, поэтому, является удобным инструментом для анализа ФРЭ в стекле. Если после облучения большие изменения наблюдаются в коэффициентах первой группы, то можно заключить, что за фотонаведенные изменения показателя преломления ответственна электронная составляющая поляризуемости стекла. При изменении коэффициентов второй группы - ионная. Фактически, проанализировав поведение коэффициентов Зельмейера, мы можем ответить на вопрос: какая составляющая и в какой степени ответственна за ФРЭ в данном типе стекла.
В работах [165, 167] было показано, что наилучшие результаты при аппроксимации дает именно трехчлен Зельмейера, т.е. учитываются три типа колебаний. Ввод большего числа членов, практически не увеличивая точность аппроксимации, существенно замедляет процесс вычисления [165]. Как показали расчеты, дисперсию показателя преломления в интересующей нас области спектра можно хорошо аппроксимировать, учтя два «близлежащих» типа колебаний (их можно ассоциировать с возбуждением валентных электронов и ионными колебаниями) и всю «предысторию» показателя преломления со стороны коротких длин волн (обобщенный осциллятор, усредненно описывающий переходы всех внутренних электронов). Коэффициенты, ответственные за последний тип колебаний с физической точки зрения можно заменить одной переменной, как это было предложено в работе [168], поскольку в данном случае они не несут какой-либо реальной информации и, как правило, коррелируют с данными по первому типу осциллятора. Однако с математической точки зрения трехчлен Зельмейера дает лучшую аппроксимацию. Более того, для трехчленной аппроксимации коэффициенты, получаемые для первого типа колебаний (возбуждение валентных электронов) оказываются ближе к реальности (частота соответствует энергии запрещенной зоны). В случае трехчленного представления Зельмейера эволюцию коэффициентов в процессе лазерного облучения можно использовать для описания физического смысла явления. Таким образом, в нашей модели мы использовали предположение о наличии трех типов осцилляторов: первые два ответственны за изменение электронной составляющей поляризуемости стекла, а последний - за ионную составляющую. Отметим, что и в других работах для аппроксимации дисперсионных кривых наиболее часто используется именно трехчленное соотношение Зельмейера (3.9) [19,153,154,165].
Важно подчеркнуть, что, несмотря на физическую основу, модель Зельмейера является лишь математическим аппаратом, с помощью которого мы аппроксимируем дисперсионные кривые. Анализ поведения коэффициентов Зельмейера может лишь определить направление дальнейших исследований и указать на глобальные изменения, происходящие под действием ультрафиолета, в той или иной частях спектра поглощения образца. Более подробную информацию об этих изменениях могут дать лишь методы спектроскопического анализа. Основным достоинством данного метода является возможность определения вкладов электронной и ионной составляющих поляризуемости в фотоиндуцированное изменение показателя преломления.
Спектральная зависимость фоторефрактивного эффекта в диоксиде кремния с различным легированием.
В данном разделе мы рассмотрим экспериментальные данные по спектральной зависимости ФРЭ в образцах кварцевого стекла с различным легированием. Образцы были легированы азотом, германием и фосфором. Параметры исследованных образцов и коэффициенты Зельмейера, вычисленные путем аппроксимации дисперсионных кривых до и после облучения, приведены в таблице 3.1.
Для усиления фоторефрактивных свойств, образцы, легированные германием и фосфором до измерения были насыщены молекулярным водородом. Образцы, легированные азотом, не насыщались водородом, поскольку водород в данном типе стекла подавляет фоточувствительность [101].
Известно, что насыщение молекулярным водородом уже само по себе повышает средний показатель преломления стекла [95,96]. Этот факт был продемонстрирован и в нашем эксперименте [151]. В связи с этим важно иметь в виду, что германосиликатные образцы измерялись спустя несколько часов после насыщения водородом, тогда как образец, легированный фосфором был ( Таблица 3.1. Данные по экспериментальным образцам установлен для измерения только спустя 6 дней после насыщения, причем все это время образец хранился при комнатной температуре. Эксперимент по измерению дисперсии показателя преломления длится примерно 2-5 дней. За это время в германосиликатном стекле молекулярный водород частично выходил и перераспределялся внутри образца. Это обстоятельство существенно повлияло на конечный результат, который будет рассмотрен ниже. В образце, легированном фосфором, за 6 дней до измерений водород успел принять в достаточной степени равновесное распределение по объему образца, и дальнейшая его миграция не повлияла на конечные результаты.
Два германосиликатных образца облучались на длинах волн 248 и 193 нм, кварцевые стекла, легированные фосфором и азотом, - только на длине волны 193 нм.
На рис.3.2 приведены экспериментальные данные по дисперсии показателя преломления, измеренные в кварцевом стекле, легированном азотом до облучения. Экспериментальные точки аппроксимированы трехчленом (3.9). Среднеквадратичное отклонение экспериментальных точек от кривой Зельмейера составляло 8.8x10"5.
Как видно из графика на рис.3.2, аппроксимация трехчленом Зельмейера достаточно точно воспроизводит экспериментальную кривую дисперсии и может быть использована для дальнейшего анализа ФРЭ.
Дозы облучения образцов указаны в таблице 3.1. Для получения большей однородности, призмы облучались поочередно с двух сторон, перпендикулярно полированным поверхностям рабочей зоны. Однако при большом коэффициенте поглощения, как было отмечено в главе 2, поглощенная доза распределяется по объему призмы неоднородно. Вследствие этого, результаты по влиянию УФ-излучения на материал, представленные ниже, лишь качественно демонстрируют эффект и не могут быть положены в основу количественной оценки ФРЭ.
Эффект уплотнения стекла под действием уф излучения
Результаты экспериментов по записи фазовых решеток в пленочных структурах германосиликатных образцов представлены на рис.4.5 [89,158]. График зависимости наведенного показателя преломления построен по результатам расчета данных эксперимента по формуле (2.2). Интересные результаты были получены при облучении образцов на длине волны 193 нм. После первоначального роста амплитуды модуляции показателя преломления наблюдается ее падение до первоначального состояния и вновь рост. Такое поведение наведенного показателя преломления можно сопоставить с динамикой записи волоконной брэгговской решетки типа Па. В то же время распад центров окраски, который может быть оценен по снижению интенсивности люминесценции, является равномерным и никак не связан с подобным неоднородным поведением показателя преломления.
Оптическая длина пути, модуляция которой фактически показана на графиках, может быть изменена не только изменением показателя преломления, но также изменением геометрической толщины пленки. Предположим, что под действием УФ излучения толщина пленки меняется. Тогда модуляция фазы волны, проходящей через фотоиндуцированную фазовую маску можно представить в виде: где 8L и дп изменение толщины пленки и ее показателя преломления соответственно, а щ&1 - показатель преломления окружающей среды (воздуха).
Поскольку облучение лазерным светом УФ-диапазона приводит к уплотнению сетки стекла [36,41,130-133], изменение длины оптического пути за счет уменьшения геометрической толщины пленки вносит отрицательный вклад в изменение фазы проходящего света, что может не только компенсировать эффект увеличения показателя преломления, но и уменьшить общую длину
Динамика наведения показателя преломления в германосиликатных пленочных образцах, рассчитанная по формуле (2.2) без учета изменения геометрических размеров образца, и динамика распада центров окраски, оцененная по интенсивности линии люминесценции на длине волны 400 нм. оптического пути света. Данное явление и наблюдается в исследованных пленках. В начальный период времени, при небольшой экспозиционной дозе, наблюдается значительное изменение показателя преломления при относительно небольшом уплотнении сетки стекла. Далее, процесс изменения поляризуемости замедляется за счет насыщения фоторефрактивного эффекта и уже преобладает эффект именно геометрических изменений толщины облучаемых участков. Меняется направление изменения сдвига фаз. Таким образом, дифракция на наведенной решетке проходит через «нулевую отметку», что и дает эффект, схожий с поведением коэффициента отражения при записи брэгговских решеток типа Па в световодах.
Для проверки данного предположения был измерен рельеф записанной решетки. Результаты измерений представлены на рис. 4.6. Действительно, в облученных частях пленки мы наблюдаем эффект уплотнения стекла (до 500 А при толщине пленки 20 мкм) под действием УФ излучения. Для устранения эффекта «испарения» стекла, германосиликатный слой был покрыт слоем из нелегированного стекла толщиной 20 мкм, практически не имеющим поглощения вблизи длины волны 193 нм и 248 нм. Из рис.4.6 видно, что при облучении различными длинами волн, величины уплотнения стекла одного порядка, более того, практически совпадают по величине. Однако мы не наблюдаем эффекта типа На при облучении длиной волны 248 нм (в пределах исследованных доз облучения). Наблюдалось только незначительное уменьшение интенсивности интерференционной картины при больших дозах облучения (порядка 25 кДж/см ). Данный факт свидетельствует о различном уровне насыщения наведенного показателя преломления с дозой при облучении светом различными длинами волн. Из эксперимента ясно, что для длины волны 248 нм этот уровень больше.
В пользу такого эффекта насыщения наведенного показателя преломления свидетельствует рис.4.7., где представлены графики зависимости величины уплотнения стекла и модуляции оптического пути (интенсивность дифракционного максимума) от экспозиционной дозы. Рост уплотнения можно
Профиль пленочной структуры германосиликатного стекла с бором после записи длиннопериодной решетки УФ-излучением: а) 248 нм (KrF эксимерный лазер); Ь) 193 нм (ArF-эксимерный лазер). считать, в первом приближении, линейной функцией дозы, тогда как рост показателя преломления стекла насыщается.
Вероятно, что подобный «геометрический» эффект имеет место и в случае волоконных световодов, когда под действием УФ-излучения сердцевина световода уменьшается в диаметре, что при прочих равных условиях уменьшает эффективную константу распространения моды [89,158]. Однако, в отличие от пленочных структур, где эффективно меняется непосредственно длина оптического пути, в случае волоконных световодов эффект утоныыения сердцевины носит косвенный характер. Расчеты показывают, что геометрический вклад эффекта уменьшения сердцевины в модуляцию показателя преломления при записи решетки в волоконном световоде действительно имеет место. Для наглядности ниже сделаны оценки, сопоставляющие эффект геометрического сжатия сердцевины на величину 0,3% с величиной модуляции показателя преломления.
