Введение к работе
Актуальность темы
Оптическая нелинейность фоторефрактивных кристаллов хорошо проявляется уже при световой мощности порядка мВт/см , что во многом определяет перспективу их использования в технике Эти кристаллы позволяют формировать в них динамические голограммы в реальном масштабе времени и использовать их в системах оптической обработки информации, схемах обращения волнового фронта световых пучков, оптических генераторах на динамических решетках и в других приложениях При этом актуальным является решение следующих проблем, связанных с улучшением характеристик реальных устройств
Расширение функциональных возможностей фоторефрактивных устройств благодаря обнаружению и исследованию новых фоторефрактивных эффектов
Расширение динамического диапазона реальных устройств на основе фоторефрактивных кристаллов возможно за счет формирования динамических голограмм световыми полями с высоким контрастном пространственного распределения интенсивности При этом условии использование хорошо разработанных линеаризованных моделей фоторефрактивного отклика для расчета и проектирования этих устройств в общем случае является некорректным
Развитие теоретических моделей самосогласованного нелинейного отклика фоторефрактивных кристаллов с приложенным постоянным или переменным электрическим полем Наведенная этим полем через эффект Покельса анизотропия диэлектрической проницаемости изменяет поляризационное состояние светового поля, что оказывает обратное влияние на процессы разделения фотоиндуцированного электрического заряда Изменение поляризационного состояния светового поля происходит и под действием фотоиндуцированного электрического поля Существующие ранее теоретические модели фоторефрактивных явлений в нецентросимметричных электрооптических кристаллах не учитывали влияние самосогласованного изменения поляризационного состояния светового поля за счет фоторефрактивной нелинейности
Повышение быстродействия и эффективности фоторефрактивного отклика кристаллов, что может быть достигнуто за счет формирования динамических голограмм короткими световыми импульсами При этом в пьезоэлектрических кристаллах генерируются акустические волны, влияние которых на динамику фоторефрактивного отклика в случае, когда время мак-свеловской релаксации значительно больше длительности светового импульса, не изучено
Актуальность исследования самовоздействия света в фоторефрактивных нецентросимметричных кристаллах определяется также тем, что они расширяют представление о различных физических эффектах, позволяют моделировать их в простых экспериментальных условиях и, следовательно, имеют существенное значение для фундаментальной науки Экспериментальные данные, полученные при исследовании распространения световых волн в фоторефрактив-
4 ных кристаллах, содержат информацию о различных физических параметрах этих сред, что оказывается полезным для материаловедения
Таким образом, выполненные в диссертации теоретические и экспериментальные исследования формирования динамических голограмм и протекающих при этом самосогласованных векторных взаимодействий монохроматических световых полей в фоторефрактивных нецентросиммегричных кристаллах, направленные на решение перечисленных выше проблем, представляются актуальными как с точки зрения расширения представлений о физических процессах, так и для создания динамических топографических устройств Цель и задачи диссертационной работы
Целью исследований является развитие теоретических моделей и выявление фундаментальных закономерностей динамического рассеяния света в нецентросимметричных фоторефрактивных кристаллах, связанного с формированием за счет пространственного разделения фотоиндуцированного электрического заряда объемных динамических голограмм, векторным характером взаимодействующих на них монохроматических световых волн, влиянием анизотропии оптических свойств среды и линейного электрооптического эффекта, с учетом пьезоэлектрических и фотоупругих свойств
Для достижения поставленной цели предполагается решение следующих задач
Выполнить анализ одномерного стационарного распределения поля пространственного заряда, наведенного в компенсированном фоторефрактивном кристалле во внешнем меандро-вом электрическом поле при больших коэффициентах модуляции световой решетки Исследовать зависимость амплитуды фундаментальной гармоники поля пространственного заряда, сформированного в кубическом фоторефрактивном кристалле группы силленитов с мелкими ловушками, от частоты внешнего поля и средней световой интенсивности световой решетки Выявить основные особенности записи фоторефрактивных голограмм короткими световыми импульсами в кристаллах, обладающих пьезоэлектрическими и фотоупругими свойствами
Исследовать общие особенности вырожденного стационарного векторного двухволново-го взаимодействия в анизотропных фоторефрактивных кристаллах при произвольной поляризации падающих световых волн Получить точное аналитическое решение нелинейной задачи векторной самодифракции на нелокальной фоторефрактивной решетке в кристаллах симметрии 43т при произвольной ориентации относительно кристаллофизических осей Для частных конфигураций взаимодействия выполнить анализ его эффективности Получить точное аналитическое решение нелинейной задачи векторной самодифракции на локальной фоторефрактивной решетке в кристаллах симметрии 43т при поперечной конфигурации, при которой входная грань образца параллельна кристаллографической плоскости (ПО), а вектор фоторефрактивной решетки К ориентирован вдоль оси [110J В приближении неистощимой накачки выполнить
5 анализ векторного двухволнового взаимодействия в кристалле LiNb03 Fe (группа симметрии Ът) с фотогальваническим механизмом фоторефрактивной нелинейности и в кристалле SrxBai.xNbC>6 (группа симметрии 4тт) с диффузионным механизмом нелинейности для традиционной симметричной геометрии при произвольной поляризации падающих световых волн
На длине световой волны 1 064 мкм выполнить экспериментальные исследования двухпучкового взаимодействия в кристалле GaAs Сг, позволяющие разделить вклады фоторефрактивной и амплитудной решеток в эффективность энергообмена Исследовать влияние пьезоэлектрического и фотоупругого эффектов на коэффициент двухпучкового усиления и дифракционную эффективность сформированной в кристалле голограммы
Получить аналитические соотношения для показателей преломления и векторов поляризации собственных волн гиротропного электрооптического кристалла симметрии 23 во внешнем электрическом поле, произвольно ориентированном относительно кристаллофизи-ческих осей и волновых векторов собственных волн Для случая падения на кристалл плоской световой волны исследовать зависимость поляризационных параметров волны на выходе кристалла от величины внешнего поля
Выполнить теоретические и экспериментальные исследования векторного двухволнового взаимодействия на фоторефрактивной решетке, сформированной в кубическом гиро-тропном кристалле на длине световой волны 633 нм за счет диффузионного механизма разделения электрического заряда, а также за счет одновременной диффузии и дрейфа во внешнем постоянном электрическом поле Определить закон изменения поляризационного состояния слабой световой волны непосредственно за счет взаимодействия
Выполнить анализ нестационарного двухволнового взаимодействия в фоторефрак-тивных кристаллах группы силленитов во внешнем постоянном или меандровом электрическом поле при произвольной ориентации взаимодействия относительно кристаллофизиче-ских осей и произвольной поляризации падающих на кристалл световых волн Выявить отличительные черты взаимодействия при линейной поляризации падающих на кристалл световых волн Исследовать особенности взаимодействия при различной скважности внешнего знакопеременного электрического поля промежуточной частоты Провести экспериментальные исследования двухпучкового взаимодействия в кристаллах B112S1O20 и В112Т1О20 во внешнем переменном электрическом поле
7 Выполнить анализ симметричного векторного трехволнового взаимодействия сильной
центральной волны с двумя слабыми боковыми волнами в кристаллах группы силленитов
Определить качественные отличия фоторефрактивных голограмм и энергообмена между
световыми волнами при этом взаимодействии от голограмм и энергообмена при двухволно-
вом взаимодействии
Исследовать самосогласованную картину попутного четырехволнового взаимодействия в кристалле В112Т1О20 во внешнем меандровом электрическом поле промежуточной частоты при падении на него двух световых волн с почти равными интенсивностями и генерации в нем дополнительных световых волн, распространяющихся в направлении вторых дифракционных порядков
На длине световой волны 633 нм провести экспериментальное исследование генерации пространственных субгармоник основной фоторефрактивной решетки при двухпучко-вом взаимодействии в кристалле B112S1O20 Cd во внешнем меандровом электрическом поле
10 Выполнить анализ условий самовозбуждения взаимно обращенных волн при встреч
ном векторном четырехволновом взаимодействии в кристаллах B112S1O20 и В112Т1О20 во
внешнем меандровом электрическом поле промежуточной частоты с учетом влияния естест
венного циркулярного и наведенного линейного двулучепреломления среды
Основные научные положения, выносимые на защиту
Применение теории возмущений по коэффициенту модуляции т стационарной световой решетки для аналитического описания амплитуд высших пространственных гармоник фотоин-дуцированного электрического поля в фоторефрактивном кристалле В112Т1О20 с концентрацией компенсирующих акцепторов Na > 6 5 10 м" и произведением подвижности на время рекомбинации дтд > 4 10"" м*/В ограничено значением от=0 1, если к кристаллу приложено внешнее ме-андровое электрическое поле с амплитудой 10 кВ/см и промежуточной частотой Xd,'1«f«XR1, где іф и Тд — времена диэлектрической релаксации и рекомбинации, соответственно
При стационарной векторной самодифракции световых волн на динамической решетке в фоторефрактивных кристаллах энергообмен между волнами содержит не только однонаправленную составляющую, но и неоднонаправленную, связанную с преобразованием поляризационного состояния световых волн непосредственно за счет самодифракции и, в общем случае, обусловленную их взаимодействием как на нелокальной фоторефрактивной решетке, так и на локальной
При самодифракции световых волн на нелокальной фоторефрактивной решетке в кристалле симметрии 43/я сохраняется энергия каждой составляющей светового поля, поляризованной вдоль какой-либо из собственных осей матрицы связи и каждой из составляющих светового поля, сдвинутых относительно друг друга по фазе на я/2 Если входная грань кристалла параллельна кристаллографической плоскости (ПО), вектор фоторефрактивной решетки К ориентирован вдоль оси [і 1 0J {поперечная конфигурация) и падающие световые волны имеют равную интенсивность и ТЕ- или ТМ-поляризацию, то взаимодействие этих волн в кристалле приводит только к изменению ориентации их векторов поляризации При
7 этом с ростом длины взаимодействия векторы поляризации монотонно поворачиваются так, что в пределе становятся ортогональными, ориентированными под углами ±45 к вектору К
Векторное двухволновое взаимодействие на фоторефрактивной решетке в кубическом гиротропном кристалле с диффузионным откликом при линейной поляризации падающих волн приводит к дополнительному повороту плоскости поляризации слабой световой волны по отношению к повороту за счет гиротропии При падении на кристалл световых волн с круговой поляризацией их взаимодействие в кристалле одновременно с изменением интенсивности приводит к преобразованию поляризации слабой световой волны в эллиптическую
При двухволновом взаимодействии в кубическом гиротропном кристалле во внешнем постоянном электрическом поле, приложенном вдоль вектора фоторефрактивной решетки, эффективность энергообмена различна для двух противоположных направлений внешнего поля, если падающие световые волны имеют эллиптическую поляризацию В установившемся режиме взаимодействия в кристалле во внешнем меандровом электрическом поле промежуточной частоты (іфЛ«/<<т:я1, где тiR - времена диэлектрической релаксации и рекомбинации, соответственно) это приводит к изменению интенсивности слабой световой волны на выходе кристалла при переключении внешнего поля Следствием такой нестационарности является формирование локального компонента поля пространственного заряда В случае линейной поляризации падающих волн эффективность энергообмена при противоположных направлениях внешнего поля одинакова
При поперечной конфигурации двухволнового взаимодействия на пропускающей фоторефрактивной решетке в кристаллах B112S1O20 и ВіпТЮго во внешнем постоянном электрическом поле или меандровом поле промежуточной частоты и линейной поляризации падающих световых волн ортогональной плоскости падения энергообмен между световыми волнами становится неоднонаправленным при величинах постоянной связи и длины взаимодействия, превышающих пороговые В случае круговой поляризации падающих волн перекачка энергии является неоднонаправленной при произвольной толщине образца и любой величине внешнего постоянного ПОЛЯ
При симметричном трехволновом взаимодействии на длине световой волны 633 нм в кристалле B112S1O20 или ВїиТіСЬо во внешнем меандровом электрическом поле промежуточной частоты одновременное усиление слабых боковых волн реализуется при продольной и поперечной конфигурациях Вследствие формирования при взаимодействии двух фоторефрак-тивных решеток, одна из которых усиливается с ростом длины взаимодействия, а другая ослабляется, коэффициент усиления одной из слабых световых волн регулируется изменением интенсивности другой световой волны на входной грани образца
8 При симметричном двухволновом взаимодействии на длине световой волны 633 нм в
кристалле В112Т1О20 во внешнем меандровом электрическом поле промежуточной частоты
расширение пространственного спектра фоторефрактивных решеток и светового поля за счет нелинейности фоторефрактивного отклика и за счет дифракции исходных световых волн на основной фоторефрактивной решетке во вторые дифракционные порядки приводит к сжатию областей с максимальной интенсивностью и плавному изгибу интерференционной световой структуры относительно нормали к входной грани образца
В фоторефрактивном кристалле B112S1O20 Cd во внешнем меандровом электрическом поле промежуточной частоты вклад в интенсивность световых пучков, распространяющихся в направлении дробных дифракционных порядков +3/2 и -3/2, наряду со взаимодействием световых пучков на субгармониках с векторами ±К/2 дает и их взаимодействие на субгармониках с векторами +3X72, где К — волновой вектор фундаментальной фоторефрактивной решетки, сформированной за счет интерференции между двумя падающими на кристалл световыми пучками с длиной волны 633 нм
В кристаллах группы силленитов во внешнем меандровом электрическом поле промежуточной частоты пороговое значение приведенной длины образца, необходимое для самовозбуждения взаимно обращенных световых волн, зависит от его толщины В кристаллах B112S1O20 и В112Т1О20 на длине световой волны 633 нм в случае поперечной конфигурации взаимодействия режим генерации наступает при пороговом внешнем поле, которое для кристалла В112Т1О20 в 2 7 раза меньше чем для кристалла B112S1O20 Превышение внешним полем пороговой величины влечет генерацию сопряженного по фазе света для целого набора взаимных ориентации векторов поляризации волн накачки
Достоверность научных положений и результатов обусловлена строгой постановкой задач и основана на использовании фундаментальных теоретических и экспериментальных методов, а также компьютерного моделирования, базируется на современных физических представлениях о фоторефрактивном эффекте в нецентросимметричных кристаллах Описание частных случаев их фоторефрактивного отклика на основе общих теоретических моделей, разработанных в диссертации, сводится к известным результатам, опубликованным в научной литературе
Выносимое на защиту научное положение 1 сформулировано по результатам анализа полученного в диссертации нелинейного уравнения для поля пространственного заряда, сформированного в фоторефрактивном кристалле во внешнем меандровом поле промежуточной частоты при низкой световой интенсивности Это уравнение в предельных случаях имеет аналитические решения совпадающие с полученными Степановым С И и Петровым М П в 1985, 1986 гг, Шандаровым С М с коллегами в 1999 и Стурманом Б И с коллегами в 2000 г Результаты численного интегрирования указанного уравнения в допускающих приближенное аналитическое решение случаях совпадают с расчетами по явным аналитическим формулам Поперечное распределение поля пространственного заряда, полученное числен-
9 ным интегрированием этого уравнения, совпадает с поперечным распределением, полученным Brost G А в 1992 г численным интегрированием исходной системы дифференциальных уравнений Следует отметить, что при формулировке положения 1 предполагалось, что интенсивность светового поля в фоторефрактивном кристалле во внешнем меандровом электрическом поле может изменяться во времени Условия, при которых такая временная модуляция может существовать, оговариваются в положении 5
Результаты теоретического анализа векторного двухволнового взаимодействия в фоторефрактивных кристаллах (положения 2, 4 - 6) находятся в хорошем согласии с экспериментальными данными, представленными в данной диссертации и в 1989 г работах Pauhat G с коллегам и Кухтаревым Н В с коллегами Полученные в диссертации точные соотношения для векторной амплитуды слабой световой волны в кубических гиротропных кристаллах симметрии 23 сводятся к приближенным выражениям, полученным Стурманом Б И с коллегами в 1999 г и 2001 г , Шандаровым С М с коллегами в 1996 г , Шамониной Е А с коллегами в 1998 г , Stace С с коллегами в 1989, Pauhat G с коллегами в 1989 г , Кухтаревым Н В с коолегами в 1989 г
Точное решение нелинейной системы уравнений связанных волн, описывающее двухволно-вое взаимодействие в кристалле симметрии 43т на нелокальной фоторефрактивной решетке в общем случае его произвольной ориентации относительно кристаллофизических осей (положение 3), в частном случае так называемой продольной конфигурации совпадает с решением, полученным Стурманом Б И с коллегами в 1999 г Результаты теоретического анализа взаимодействия при малом коэффициенте модуляции интерференционной световой картины находятся в хорошем согласии с экспериментальными данными, представленными в диссертации
Анализ двухволнового взаимодействия в кубических гиротропных кристаллах симметрии 23 во внешнем постоянном электрическом поле (положение 5) в случае малого коэффициента модуляции приводит к аналитическому соотношению для векторной амплитуды слабой световой волны аналогичному по структуре соотношению, полученному для случаев ме-андрового внешнего поля и отсутствия внешнего поля В пренебрежении локальной компонентой фоторефрактивной решетки и при линейной поляризации падающих волн эти соотношения совпадают Результаты численного интегрирования нелинейной системы уравнений связанных волн, справедливой при произвольном коэффициенте модуляции, удовлетворяют закону сохранения энергии и в случае малого коэффициента модуляции совпадают с результатами расчетов по явным аналитическим выражениям
Уравнения связанных волн, описывающие взаимодействие одной сильной центральной волны с двумя слабыми боковыми волнами в кубических гиротропных фоторефрактивных кристаллах симметрии 23 во внешнем меандровом электрическом поле промежуточной частоты (положения 7), являются частным случаем нелинейных уравнений полученных Камшили-
10 ным А А с коллегами в 1996 г, описывающих взаимодействие при произвольном соотношении между интенсивностями световых волн В отсутствии одной слабой падающей световой волны и в пренебрежении одной из фоторефрактивных решеток эти уравнения сводятся к уравнениям, описывающим двухволновое взаимодействие при таких же внешних условиях В пренебрежении фоторефрактивным эффектом их решение описывает обычную интерференцию двух слабых боковых волн с сильной центральной волной накачки
Результаты численного интегрирования нелинейной модели самосогласованного взаимодействия двух световых волн в кристалле В112Т1О20 во внешнем меандровом электрическом поле промежуточной частоты в условиях генерации вторых дифракционных порядков (положение 8) удовлетворяют фундаментальному закону сохранения энергии и имеют наглядную физическую интерпретацию В пренебрежении вторыми дифракционными порядками и линейном приближении по коэффициенту модуляции интерференционной световой картины для поля пространственного заряда указанная модель сводится к обычным нелинейным уравнениям связанных волн, описывающих векторное двухволновое взаимодействие в фоторефрактивных кристаллах
Результаты экспериментального исследования генерации пространственных субгармоник в кристалле B112S1O20 на длине световой волны 633 нм (положение 9) согласуются с условиями их генерации, предсказанными Стурманом Б И с коллегами в 1992 и 1993 гг
Результаты анализа генерации взаимно обращенных по фазе световых волн при четы-рехволновом взаимодействии в кубическом гиротрошюм фоторефрактивном кристалле во внешнем меандровом электрическом поле промежуточной частоты, выполненного на основе решения уравнений связанных волн для общего случая произвольной ориентации относительно кристаллофизических осей и произвольной поляризации взаимодействующих волн (положение 10), в частном случае поперечной конфигурации взаимодействия и в пренебрежении двулучепреломлением среды совпадают с результатами, полученными Степановым С И с коллегами в 1984 и 1985 гг Научная новизна защищаемых положений и результатов
Для фоторефрактивных кристаллов с одним типом частично компенсированных фотоактивных доноров во внешнем меандровом электрическом поле промежуточной частоты в приближении низкой световой интенсивности получено точное нелинейное дифференциальное уравнение, описывающее одномерное стационарное распределение поля пространственного заряда Выполнен анализ пространственных распределений поля, фотоиндуцированного световой решеткой с большим коэффициентом модуляции в кристаллах группы силленитов с различными материальными параметрами
Исследована зависимость фоторефрактивного отклика кристалла с одним типом глубоких фотоактивных доноров и мелкими ловушками на световую решетку с малым коэффициентом модуляции от частоты внешнего меандрового электрического поля
В параксиальном приближении получено точное аналитическое решение уравнений связанных волн, описывающих стационарное векторное двухволновое взаимодействие на пропускающей фоторефрактивной решетке в двуосных и одноосных кристаллах при заданном световом поле волны накачки Показана возможность неоднонаправленного усиления слабой световой волны как в кристаллах с диффузионно-дрейфовым механизмом разделения электрического заряда, так и в кристаллах с линейным фотогальваническим механизмом
Для произвольной ориентации двухволнового взаимодействия относительно кристалло-физических осей оптически изотропного кристалла симметрии 43т с нелокальным фото-рефрактивным откликом найдены первые интегралы нелинейной системы уравнений связанных волн Решение уравнений в квадратурах получено в линейном приближении для амплитуды фоторефрактивной решетки относительно коэффициента модуляции интерференционной световой картины Точные аналитические решения получены для поперечной конфигурации взаимодействия Показана возможность преобразования поляризационного состояния световых волн, взаимодействующих на нелокальной динамической решетке, без их изменения интенсивностей Исследовано влияние решетки коэффициента поглощения, пьезоэлектрического и фотоупругого эффектов на эффективность энергообмена при двухволновом взаимодействии в фоторефрактивной кристалле GaAs Сг
Для поперечной конфигурации двухволнового взаимодействия в кристалла симметрии 43т с локальным фоторефрактивным откликом получены точные аналитические решения нелинейной системы уравнений связанных волн
В параксиальном приближении получено точное решение уравнений связанных волн, описывающих стационарное векторное двухволновое взаимодействие на фоторефрактивной решетке, сформированной в кубических гиротропных кристаллах за счет диффузионно-дрейфового механизма разделения электрического заряда при малых коэффициентах модуляции интерференционной световой картины Исследована зависимость вклада неоднонаправленного энергообмена в усиление слабой световой волны от величины внешнего электрического поля, поляризации падающих на кристалл волн и отношения их интенсивностей
Получено точное решение системы уравнений в частных производных, описывающих не
стационарное векторное двухволновое взаимодействие на фоторефрактивной решетке в куби
ческих гиротропных кристаллах во внешнем электрическом поле при малых коэффициентах
модуляции интерференционной световой картины Исследовано влияние самодифракции на
динамику поля пространственного заряда в кристаллах во внешнем меандровом электриче-
12 ском поле Показано, что характер периодической временной зависимости поля пространственного заряда и интенсивности слабой световой волны зависит от длины взаимодействия и оказывается качественно различным для двух противоположных ориентации образца, получающихся друг из друга его поворотом на 180 вокруг нормали к входной грани Исследована зависимость коэффициента двухволнового усиления кристалла B112S1O20 Cd от частоты внешнего поля В промежуточной области частот анализ двухволнового взаимодействия выполнен для произвольной скважности внешнего знакопеременного электрического поля
Показана возможность эффективного неоднонаправленного энергообмена при вырожденном стационарном двухволновом взаимодействии в фоторефрактивных кристаллах с локальным откликом Исследована зависимость коэффициента двухволнового взаимодействия от отношения интенсивностей падающих на кристалл световых волн, которая в этом случае является немонотонной, имеет участки с отрицательным наклоном
Выполнен анализ стационарного симметричного векторного трехволнового взаимодействия одной сильной центральной световой волны и двух слабых боковых световых волн в фоторефрактивных кристаллах группы силленитов во внешнем меандровом электрическом поле промежуточной частоты
Для кристалла В112Т1О20 во внешнем меандровом электрическом поле промежуточной частоты выполнено численное моделирование стационарного самосогласованного взаимодействия световых волн с длиной волны 633 нм, при условии симметричного падения на кристалл двух волн и генерации в нем дополнительных волн, распространяющихся в направлении вторых дифракционных порядков
Получена генерация пространственных субгармоник с векторами +К/2 и +ЗК/2 основной фоторефрактивной решетки с вектором К, сформированной в кристалле B112S1O20 Cd на длине световой волны 633 нм во внешнем меандровом электрическом поле промежуточной частоты
В приближении заданных световых полей волн накачки получено точное решение уравнений связанных волн, описывающих стационарное векторное четырехволновое взаимодействие на пропускающей фоторефрактивной решетке в кубических гиротропных кристаллах во внешнем меандровом электрическом поле промежуточной частоты
Научная ценность
Исследования взаимодействия световых волн на фоторефрактивной нелинейности нецен-тросимметричных кристаллов выполнены с учетом изменения поляризационного состояния светового поля не только за счет оптической анизотропии среды, но и непосредственно за счет взаимодействия Это позволило показать, что вклад во взаимодействие дополнительной "поляризационной" степени свободы приводит к неоднонаправленной перекачке энергии при двухволновом взаимодействии на нелокальной фоторефрактивной решетке и энергооб-
13 мену на локальной Предсказана возможность только поляризационного взаимодействия без изменения интенсивностей и фаз световых волн Исследования векторных многоволновых взаимодействий выполнены с учетом самосогласованного влияния поля пространственного заряда и светового поля друг на друга Таким образом, представленные в диссертации результаты теоретических и экспериментальных исследований расширяют представления о качественной картине фоторефрактивного отклика кристаллов, что подтверждается цитированием результатов опубликованных работ автора, представленных в данной диссертации, в научных публикациях различных исследователей
Сопоставление экспериментальных данных с теоретическими расчетами позволило исследовать адекватность различных теоретических моделей фоторефрактивного отклика и определить фоторефрактивные параметры ряда кристаллических образцов При обработке экспериментальных результатов учитывались светоиндуцированное изменение коэффициента поглощения, а также влияние фотоупругого и пьезоэлектрического эффектов
Созданный при работе над диссертацией экспериментальный комплекс, в состав которого входят компактные источники высоковольтного меандрового напряжения с регулируемой амплитудой и частотой, позволил увеличить эффективность и разнообразие научных исследований, проводимых на кафедре Электронных приборов Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники
Предложенные в работе теоретические модели позволяют анализировать процессы энергообмена, преобразования фазы и поляризационного состояния световых волн, а также их самовозбуждения в нецентросимметричных фоторефрактивных кристаллах с произвольной ориентацией граней В совокупности с экспериментальными методами динамической голографии эти модели могут служить средством изучения процессов самовоздействия светового поля на фоторефрактивной нелинейности указанных сред Практическая значимость диссертационной работы подтверждается следующим
Получены аналитические соотношения, позволяющие рассчитывать поляризационные параметры и интенсивность слабой световой волны при векторном двухволновом взаимодействии в фоторефрактивных кристаллах с диффузионно-дрейфовым механизмом разделения электрического заряда Выполнен расчет коэффициентов двухволнового усиления в кристаллах L1NM3 Fe (на длине световой волны 1=440 нм), SrxBai_xNb06 (1=633 нм), ВіцвіОго (1=633 нм), В112Т1О20 (1=633 нм) и GaAs (1=1 064 мкм) разной толщины для различной поляризации падающих на кристалл световых волн Полученные результаты пригодны для инженерного расчета фоторефрактивных усилителей слабых оптических сигналов и ячеек оптической памяти
Определены оптимальные условия усиления слабой световой волны при двухволновом взаимодействии в кубических гиротропных фоторефрактивных кристаллах во внешнем ме-
14 андровом поле промежуточной частоты, что позволит увеличить эффективность работы элементарных фоторефрактивных ячеек в составе различных оптических схем
Разработан метод определения электрооптических постоянных фотопроводящих нецен-тросимметричных кубических кристаллов Этим методом определены электрооптические постоянные кристаллов титаната висмута, легированных ванадием
Предложен метод изменения вкладов локальной и нелокальной составляющих фоторефрак-тивного отклика в двухволновое взаимодействие в кристаллах группы силленитов за счет варьирования скважности внешнего знакопеременного поля промежуточной частоты Использование этого метода для получения нелокального фоторефрактивного отклика не потребует высокой однородности засветки кристаллического образца вдоль направления внешнего поля
На основе симметричного трехволнового взаимодействия в кристаллах B112S1O20 и В112Т1О20 предложен метод регулировки коэффициента усиления одной слабой световой волны за счет изменения интенсивности другой слабой световой волны на входной грани кристалла Этот метод может быть использован для разработки фоторефрактивных ячеек с обратной связью по оптическому каналу
Определены пороговые условия генерации взаимно обращенных световых волн при встречном четырехволновом взаимодействии в кубических гиротропных фоторефрактивных кристаллах группы силленитов во внешнем меандровом поле Полученные результаты могут быть использованы при проектировании лазеров на динамических решетках
Разработаны компактные высоковольтные генераторы меандрового напряжения, позволившие повысить коэффициент двухгіучковой связи в фоторефрактивных кристаллах до 10 см"1
Таким образом, представленные в работе результаты позволили разработать фотореф-рактивные ячейки, пригодные для использования в схемах усиления оптических изображений, обращения волнового фронта, оптической ассоциативной памяти Внедрение результатов и рекомендации по дальнейшему использованию
Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники Справки об использовании результатов представлены в Приложениях 2 и 3 диссертации
Результаты диссертационной работы рекомендуется использовать на кафедрах Электронные приборы и Сверхвысокочастотной и квантовой радиотехники Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники, в лаборатории нелинейной оптики УрО РАН при Челябинском государственном техническом университете под руководством доктора физ -мат наук Н Д Кундиковой, в Украинском Физическом Институте НАН (г Киев) в научной группе под руководством доктора физ -мат наук С Г Одулова
15 Апробация работы
Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных семинарах сотрудников ТУСУР, совместных семинарах сотрудников Томского государственного университета и ТУСУР, семинарах сотрудников лаборатории нелинейной оптики УрО РАН при Челябинском государственном техническом университете, а также на следующих конференциях и симпозиумах на международных конференциях по фоторефрактивным материалам, эффектам и устройствам (PRM'91 - США, Бостон, 1991, PRM'93 - Украина, Киев, 1993, PRM'99 -Дания, Элсинор, PRM'2001 - США, Висконсин, Делаван), на XV всесоюзной конференции "Акустоэлектроника и физическая акустика твердого тела" (Ленинград, 1991), на международном симпозиуме по физическим принципам и методам оптической обработки информации (Беларусь, Гродно, 1993), на I Международной конференции по оптической обработке информации (С -Петербург, 1993), Европейском консилиуме E-MRS (Франция, Страсбург, 1994), на областной научно-практической конференции по техническим наукам и высоким технологиям (Томск, 1995), на седьмом международном семинаре по сегнетоэлектрической физике (Казань, 1997), на третьем международном симпозиуме по оптике в технике (Финляндия, Kajaani, 1999), на третьем международном симпозиуме по применению результатов конверсионных исследований в международном сотрудничестве (Томск, 1999), на международной по проектированию и конструированию оптических систем (EUROPTO - Германия, Берлин, 1999), на первой азиатско-тихоокеанской конференции по фундаментальным проблемам опто- и микроэлектроники (Владивосток, 2000), на международном оптическом конгрессе по фундаментальным проблемам оптики (Оптика - XXI век - С -Петербург, 2000), на 17-ой международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (ICONO 2001 -Беларусь, Минск, 2001), на 19-ом конгрессе международной комиссии по оптике (ICO XIX - Италия, Флоренция, 2003)
Исследования, представленные в диссертационной работе, поддерживались следующими научными проектами проект 2006-РИ-16 0/010/010, финансировавшийся Федеральным агентством по науке и инновациям в рамках государственного контракта № 02 438 11 7046 в 2006 г , проект 02-02-81044-Бел2002_а, финансировавшийся Российским фондом фундаментальных исследований в 2002 - 2004 гг , грант № RI 5000, финансировавшийся Международным научным фондом ВІ994 г , проект 93-2-14994 финансировавшийся Российским фондом фундаментальных исследований в 1993-1994 гг , "Элементы акустооптоэлектронных процессоров на основе электрооптических кристаллов", финансировавшийся Госкомобразования СССР в 1990 г, "Оптическая память на электрооптических фоторефрактивных кристаллах, элементная база ассоциативных устройств распознавания образов и оптических компьютеров на их основе", финансировавшийся Государственным Комитет РСФСР по делам науки и высшей школы в 1991 г, "Оптические процессоры на основе фоторефрактивных элементов", финансировавшийся Министерством науки, высшей школы и технической политики России-
ской федерации в 1993-1994 г, "Оптимизация двухволнового взаимодействия в кубических фоторефрактивных кристаллах, находящихся во внешнем знакопеременном электрическом поле", финансировавшийся Томской государственной академией систем управления и радиоэлектроники в 1993 г Публикации
Основные результаты диссертационной работы представлены в 53 научных публикациях Перечень опубликованных соискателем работ содержит 1 монографию, 34 статьи в периодических научных журналах, 10 статей в сборниках научных трудов конференций, 8 тезисов докладов Без соавторства соискателем опубликовано 11 научных работ, из них 9 статей в периодических журналах, 1 монография и 1 тезис доклада Личный вклад автора
При выполнении исследований, выполненных в работах [1, 2, 8] автором получены аналитические решения, выполнены численные расчеты и сформулирована часть выводов При выполнении первых экспериментальных исследований фоторефрактивного отклика кристаллов во внешнем электрическом поле, представленных в работе [3], автором была собрана экспериментальная установка, выполнена основная часть измерений коэффициента двухпуч-кового взаимодействия и осуществлена обработка экспериментальных результатов
Автору принадлежит идея создания высоковольтных источников меандрового напряжения [9], которые были использованы в значительной части экспериментальных исследований, представленных в диссертационной работе Им сформулированы основные требования, которым должны удовлетворять эти источники Сами источники были спроектированы и изготовлены инженером кафедры Электронных приборов Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники Питченко Сергеем Николаевичем
При выполнении исследований, представленных в работе [11], автор принимал участие в разработке методики экспериментальных измерений, их проведении, сопоставлении теоретических расчетов с экспериментальными данными и формулировке результатов
При выполнении исследований, представленных в работах [7, 15, 33, 36], автор принимал участие в сборке экспериментальной установки, разработке методики измерений, проведении части этих измерений, а также сопоставлении экспериментальных данных с теоретическими расчетами
При выполнении исследований, представленных в работах [16, 20, 43], автор принимал участие в разработке и написании программы численного интегрирования математической модели фоторефрактивного отклика, а также в обсуждении и физической интерпретации полученных результатов
В работах [17-19] автор разработал алгоритм численных расчетов, выполнил часть из них, принимал участие сборке экспериментальной установки, выполнении экспериментов, обсуждении и формулировке основных результатов
В работе [45] использовался предложенный автором метод получения общего решения уравнений связанных волн
Во всех, не перечисленных выше работах, выполненных в соавторстве, соискателю принадлежит идея проведения исследований, формулировка основных моделей рассматриваемых эффектов, разработка методов их теоретического анализа и методики экспериментальных измерений В этих работах соискателем выполнена основная часть аналитических и численньк расчетов, экспериментальных измерений, а также сформулированы главные результаты
Таким образом, все изложенные в диссертационной работе результаты получены лично автором, под его руководством, либо при его непосредственном участии
