Введение к работе
Актуальность темы. Развитие элементной базы квантовой электроники стимулировало углубленные исследования оптических свойств анизотропных, в том числе гиротропных материалов.
Заметный прогресс феноменологической теории гиротропии достигнут в последние десятилетия в значительной степени благодаря применению ковариантных методов, разработанных Ф. И. Федоровых? /1*, 2м/. С помощью этих методов расчета в работах Ф. И. Федороза, Б. В. Бокутя, А.Н. Сердюкова и др. построены основы строгой электродинамики гиротропных сред, предложена классификация гиротропных кристаллов, которая становится сейчас общепринятой, решен обширный круг задач, связанных с принципиальными вопросами теории гиротропии, проведено сравнение различных подходов к описанию гиротропных свойств вещества.
Результаты феноменологических исследований явления гиротропии Снапр. /2*-4*/ ) создают надежную основу для оптимального использования гиротропных сред в различных областях оптики, включая объем- , ную голографию, оснсзанную фундаментальными работами Ю. Н. Денисюка /5*, 6*/.
Из оптически активных регистрирующих сред наиболее известны кубические фоторефрактивные кристаллы СКФЮ класса 23 Bi SiO CBSO), Bi GeO CBG0) и Bi ТіО СВТО), отличающиеся высокой светочувстви-
1220 1220 '
тельностью, хорошим оптическим качеством, реверсивностью процесса записи информации и сравнительно низкой стоимостью. На основе таких кристаллов созданы эффективные пространственно-временные модуляторы света /7х/, которые по многим параметрам превосходят аналогичные-устройства ча базе других материалов. КФК применяются также в оптических переключателях, элементах оптической памяти, оптических корреляторах, используются для осуществления логических и цифровых операций /7*, 8*/.
В основе механизма записи оптической информации в КФК лежит фо-торефрактивный эффект, который впервые наблюдался в кристалле LiNbO,. Последовательная самосогласованная теория фоторефрактнвного эффекта была построена авторами /9й/ и используется до настоящего времени большинством исследователей в нашей стране.я за рубежом. (
Иззестно. что кристаллы BSO, EGO и BTQ проявляют пьезоэлектри-
4 ческие и фотоупругие свойства. Влияние пьезоэлектрического эффекта и фотоупругости на формирование голографических решеток в КФК было рассмотрено в /10*/ без учета гиротропных свойств кристаллов.
Отсутствие детального исследования влияния гиротропии и пьезоэлектрического эффекта на свойства голографических решеток в' КФК снижало эффективность дальнейшего использования этих материалов, затрудняло интерпретацис экспериментальных данных и ограничивало возможности оптимизации голографических устройств, созданных на базе таких кристаллов.
Строгое рассмотрение голографических процессов предполагает знание структуры интерференционной картины, образованной в регистрирующей среде двумя световыми волнами /11х/. интерференция света в гиротропных материалах не была детально изучена. Это тормозило применение современных методов голографической интерферометрии к гиротропным средам.
Поскольку теория дифракции света в голографии во многих случаях формально эквивалентна соответствующей теории в области ультразвуковых решеток, то проблема учета оптической активности и пьезоэлектрического эффекта в акустооптике КФК являлась столь же актуальней, как и в голографии.
Таким образом, к моменту начала работы автора над темой диссертации в феноменологической' оптике гирстропных сред сложилась следующая ситуация:
- не было изучено влияние гиротропии на структуру интерфе
ренционного поля двух световых волн; " '
- отсутствовала детальная теория для описания дифракции света на
голографических и ультразвуковых решетках в гиротропных средах;
- исследования дифракции света на голографических решетках в
кубических фоторефрактивных кристалах ограничивались в ochobhov
двумя конфигурациями КІІС0013 и К11С1103 для среза кристалла C110D;
не был проведен учет одновременного влияния оптической активности и пьезоэлектрического эффекта на свойства фазовых решетої в фоторефрактивных кристаллах;
оставался нереализованным ряд возможностей оптимизации энергетических и поляризационных характеристик голограмм, записанных з гиротропных средах.
' С учетом перечисленных выше проблем, накопившихся в голографи: и акустооптике гиротропных сред, целью диссертационной работы яв
5 ЛЯеТСЯ:
изучение особенностей формирования интерференционного ПОЛЯ В гиротропных средах;
построение на- основании единого подхода фзнокснологической теории дифракции света на топографических и ультразвуковых решетка:: показателя преломления в гиротропных средах;
- исследование влияния „пьезоэлектрического и фотоупругого
эффектов на процесс дифракции света в кубических гиротропных
"фоторефрактивных кристаллах;
- оптимизация с помощью_полученных результатов энергетических
и поляризационных характеристик устройств, изготовленных на базе
;иротропных фоторефрактивных кристаллов.
Научная новизна и практическая значимость. Впервые рассмотрены особенности интерференционной картины, образованной двумя плоскими коно::рс!.атгчоскЕКй вслпаш* в гиротропных средах. Показано, что учет гиротропии приводит к пространственной модуляции решетки показателя преломления. Определен' вид модулирующих функций в различных практически ванных случаях.
Найдены аналитические выражения. для энергетических и поляризационных характеристик' света, дифрагированного на топографических решетках в изотропных средах и кубических фоторефрактивных кристаллах в присутствии гиротропии. Показано, что особенно большое влияние гиротропия оказывает на свойства отражательных--- голограмм, 'гызывая появление качественно новых закономерностей дифракции.
Впервые установлена аналитическая зависимость дифракционной эффективности и азимута дифрагированного света от ориентации вектора топографической решетки в плоскости среза. Найдены соотношения, позволяющие определить такие ориентации вектора решетки, при которых дифрагированный свет имеет определенную линейную поляризацию при любой поляризации считывающего света, и условия, при которых дифракционная эффективность достигает экстремальных значений. Проведено детальное изучение одновременной дифракции двух световых волн на заданной пропускающей топографической решетке в оптически активных кубических фоторефрактивных кристаллах срезов С110) и С001). Найдены аналитические выражения для интенсивностей прошедших голограмму волн и показано, что в случае эллиптической поляризации считывающих световых волн одинаковой интенсивности перекачка энер-< гии возможна при любой величине фазового сдвига интерференционной
картины этих волн по отношению к топографической решетке. Установлено, что в случае среза С001) оптическая активность не оказывает влияния на энергообмен считывающих волн на пропускающей голограмме. Впервые проведен одновременный учет влияния пьезоэлектрического эффекта и оптической активности на дифракцию света в кубических фото-рефрактивных кристаллах. Для различных срезов кристалла найдены и проанализированы явные аналитические выражения для компонент обратного тензора диэлектрической проницаемости с учетом влияния пьезоэлектрического эффекта и фотоупругости. Впервые получены аналитические выражения для дифракционной эффективности и азимута дифрагированного света в оптически активных кубических фоторефрак-тивных кристаллах, проявляющих пьезоэффект. Установлена зависимость экстремальных значений дифракционной эффективности при считывании линейно поляризованным светом, а также зависимость эллиптичности дифрагированного света при считывании циркулярно поляризованной волне*, от ориентации вектора решетки в плоскости среза С110). Проведен анализ зависимостей дифракционной эффективности и азимута дифрагированного света от- азимута линейно поляризованного считывающего света при фиксированном положении вектора решетки, а т-кже зависимостей энергетических и поляризационных характеристик дифрагированного света от положения вектгра решетки при фиксированных азимутах считывающего свега. Полученные теоретические результаты подтверждены экспериментально.
Впервые рассмотрено влияние пьезоэлектрического эффекта на одновременную дифракцию двух световых волн на заданной'ненаклонной пропускающей голографической решетке в оптически активных кубических фоторефрактивных кристаллах. Обсуждены качественные отличия, вносимые пьезоэлектрическим эффектом и фотоупругостью в аналитические выражения для интенсивностей сь^та на выходе кристалла, найдень выражения для экстремальных значений интенсивностей прошедших кристалл волн. Результаты проведенных экспериментов подтверждают справедливость основных предпосылок рассматриваемой феноменологическое теории.
На основании решения уравнений, описывающих дифракцию света нг ультразвуке в естественно гиротропной среде, впервые предложен і защищен авторским свидетельством способ определения всех фотоупругих параметров кубических кристаллов с помощью измерения толькс поляризационных характеристик дифрагированного света.
Проведенные исследования имеют и практическое значение.
7 езультати работы используются в Томском институте автоматизм-ованных систем управления и радиоэлектроники, в Институте физики Н Украины для интерпретации опытных данных по изучению дифракции и нергообмена световых волн в гиротропных фоторефрактивных кристалах, а также в целях оптимизации выходных характеристик го-ографических устройств, предназначенных для записи, хранения и об-аботки оптической информации; в Институте физики им. Б. И. Степанова Е Беларуси с целью определения дисперсии фотоупругих параметров убических гиротропных фоторефрактивных кристаллов. Они могут быть [рименены для улучшения-выходных, характеристик усилителей яркости [зображення, выполненных на основе кристаллов Bi SiO , Bi GeO ,
г r 12 2D 1220
ijjTiO , а также для создания дифракционных поляризаторов на базе ітих кристаллов.
Отдельные фрагменты работы включены в учебное пособие /19/, на зснове которого в Мозырском государственном педагогическом институте в течение ряда лет читается соответствующий спецкурс.
На защиту выносятся:
результаты теоретического анализа явления интерференции световых волн в гиротропных средах: зависимость физическгс.характеристик интерференционной картины от параметра гирагропии, поляризации интерферирующих . волн, угла схождения световых пучков, толщины регистрирующего слоя; . '-'
закономерности влияния гиротропии при записи на зависимость дифракционной эффективности.голограммы от ее толщины: для пропускающих голограмм - смещение экстремальных точек, для отражательных -появление дополнительных экстремумов;
установление существования двух режимов дифракции на объемных отражательных топографических решетках в гиротропных средах, один из которых характеризуется монотонной зависимость»} дифракционной эффективности от толщины голограммы, а другой - осциллирующей;
получение и анализ зависимости энергетических и поляризационных характеристик света, дифрагированного на обьемных голографических решетках, " записанных в гиротропных кубических фоторефрактивных кристаллах, от выбора среза кристалла, ориентации топографической решетки, поляризации считывающей волны, напряженности приложенного к кристаллу внешнего электрического поля, угла Брэгга и отстройки от брэгговского условия; способ
нахождения таких ориентации кристалла, при которых записанная в нем голограмма проявляет свойства линейного поляризатора;
результаты теоретического и экспериментального изучения особенностей дифракции света на топографических решетках в кубических кристаллах с учетом электрооптических, пьезоэлектрических, фотоупругих и гиротропных свойств этих сред;
оптимизация энергетических и поляризационных характеристик световых волн, дифрагированных на топографических решетках в оптически активных кубических фоторефрактивных пьезокристаллах; предсказанный теоретически и подтвержденный экспериментально эффект более чем двукратного возрастания дифракционной эффективности за. счет специального выбора геометрии дифракции; условия оптимизации энергообмена световых волн;
анализ решений системы уравнений акустооптического взаимодействия для различных геометрий дифракции в кубических гиротропных кристаллах и метод определения фотоупругих параметров, разработанный на его основе.
Апробация работы. Результаты диссертации докладывались на Международной конференции по фоторефрактивным материалам, эффектам и устройствам (Франция, Осуа - 1990; США, Чеверли - 1991; Украина, Киев - 1933);на 16 конгрессе- Международной комиссии по оптике "Оптика как ключ к высокой технологии" СВенгрия,Будапешт - 1993); на Международной конференции "Фотонное переклвчение" СБеларусь, Минск - 1992); на Всесоюзной конференции "Исследованиеи- разработка прецизионных измерительных комплексов и систем с использованием радиоволновых'и оптических каналов связи" (Томск - 1981); на XII Всесоюзной конференции по акустоэлектронике и квантовой акустике" (Саратов 1983); на 15 Всесоюзной школе по когерентной оптике и голографии (Минск - 1983); на I Всесоюзной конференции по оптической обработке информации (Ленинград - 1988); на I и II симпозиумах "Векторная и трехмерная голография" (Тбилиси - 1985, 1987); на научно-техническом семинаре "Трехмерная и динамическая голография" (Киев - 1981); на семинаре "Голография с глубокой записью в трехмерной среде" (Рига-Лиелупё - 1984); на семинарах "Оптика анизотропных сред" (Москва - 1985, 1987, 1990); на Всесоюзное семинаре "Голограммные оптические элементы и их применение і промышленности" (Москва - 1987); на научно-техническом семинаре "Акустооптика в физике и технике" (Ленинград - 1989); на Республи-
9 канском научно-практическом семинаре "Голография в й^лаши^г^-гг" г. научных исследованиях". СГродно - 1986, 1989); на X Международном семинаре "Лазеры и оптическая нелинейность" (Вильнюс - 19S2); на II Международном симпозиуме "Физические принципы и методы оптической обработки информации" СГродно - 1993); на Международном семинаре "Бианизотропия - 93" (Гомель - 1993); на семинарах Института физики им. Б. И. Степанова АН РБ, Института физики Латвийской АН.
Личный вклад. Результаты, приведенные в диссертации, получены либо лично автором (19 статей и учебное пособие написаны без соавторства), либо совместно~с.соавторами опубликованных работ при непосредственном участии автора в их подготовке на всех этапах исследования. Совместно с Белым В.Н. проведен теоретический анализ влияния тиротропии на акустооптическое взаимодействие. Вместе с Шандаровым СМ. разработаны феноменологические основы учета пьезоэлектрического эффекта в процессе дифракции света на топографических решетках в кубических гиротропных кристаллах. Постановка задачи в коллективных работах, как правило, осуществлялась автором. Он руководил выполнением расчетов* на ЭВМ, в большинстве случаев непосредственно участвуя в составлении программ, получении и анализе численных и графических результатов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных результатов и списка литературы (328 наименований) . Весь объем работы составляет 294 страницы, в том-' числе 65 страниц иллюстраций.
