Введение к работе
Актуальность _пр_обл ему. Развитие оптических исследований
привело в последние десятилетия к появлению новых смешанных
областей науки и техники, в частности, радиооптики,
оптоэлектроники, оптической вычислительной техники, лазерной медицины. Становление этих направлений немыслимо без широчайшего использования лазерной техники, что, в свою очередь, дало толчок разработкам, связанным с созданием элементной базы нового поколения приборов и материалов с заданными свойствами. Отметим некоторые важные вопросы решения этой обширной проблемы.
- Одно из центральных мест в области новых твердотельных
лазеров и их применений занимают оксидные кристаллы с примесью
трехвалентных лантаноидов и ионов группы яелеза. Наиболее
обширным и интересным классом среди многообразия сложных
оксидов являются кристаллы со структурой граната. Наличие
существенных достижений в технологии выращивания
монокристаллов гранатов привело к появлении целого ряда
сложных -гранатов, получаемых из доступных ингредиентов и
обладающих наряду с достоинствами давно известных гранатоз
(типа ИАГ ) лучшими оптическими и технологическими свойствами.
Большой практический интерес представляет рассмотрение путей
улучшения спектроскопических, генерационных и эксплуатационных
характеристик лазерных гранатов. Отсюда следует важность поиска,
синтеза и исследования спектроскопических характеристик,
генерационных, оптических свойств монокристаллов лазерных
гранатов с примесью редкоземельных и переходных элементов,
. включая изучение механизмов эффективной передачи возбуздения накачки от сенсибилизаторов к активаторам.
- Реализация преимуществ оптических методов обработки и
хранения информации связана с созданием и исследованием
высокочувствительных и реверсивных сред для записи -
считывания информации, требования к которым в реальных
устройствах могут изменяться в весьма широких пределах
по чувствительности, разрешающей способности, времени хранения
информации, времени записи, дифракционной эффективности и другим
параметрам. Большой интерес представляют материалы с объёмными
изменениями оптических свойств, к числу которых откосятся
электрооптические кристаллы, в частности, кристалл ниобата
^-4-
лития. В электрооптических кристаллах для записи информации
используется явление изменения показателя преломления под
воздействием света ( фоторефракция ). Не менее перспективными
регистрирующими материалами для голографических запоминающих
устройств (ГЗУ) являются халькогенидные стеклообразующие
полупроводники (ХСП). Они обладают хорошими разрешающей
способностью, дифракционной эффективностью и приемлемой
светочувствительностью. В ХСП средах вследствие отсутствия трансляционной симметрии имеются значительные возможности изменения атомной структуры материала, исследования которой весьма многочисленны при фактическом отсутствии в то же время комплексных работ по связи между возмохньми изменениями структуры и свойствами ХСП - плёнок. Недостаточно изучено действие радиационного излучения на свойства таких пленок. Поэтому не вызывает сомнений актуальность исследований механизмов явления фоторефракции при голографической записи на некоторых электрооптических материалах, а такхе получения голографических характеристик и определения многообразных, сложных процессов записи информации в реверсивных ХСП - пленках.
- Проблема практического использозания лазеров требует
создания устройств управления направлением распространения
лазерного луча в пространстве - оптических дефлекторов. В
настоящее время существует несколько способов управления
световым лучом в заданном направлении и известно более десяти
типов сканирующих устройств. Акустооптическиэ дефлекторы (АОД)
имеют неоспоримые преимущества перед устройствами других типов:
высокая эффективность отклонения света ( « 100 X ), небольшая
управляющая электрическая мощность ( < 1 Вт ), короткое время
переключения ( < 10-бс }, большое число разрешимых положений
< * 103элементов ). Однако, широкому распространению АОД
препятствует ряд нерешенных проблем - малое количество
эффективных акустооптических анизотропных материалов,
отсутствие совершенной технологии изготовления
пьезопреобразователей, сложность широкополосного согласования
электрических параметров ячейки АОД с источником
высокочастотного ( ВЧ ) сигнала в требуемой полосе частот. В связи с этим важными проблемами являются необходимость создания и исследования надежных эффективных акустооптическ:-.х дефлекторов, предназначенных для использования в различных
областях науки и техники.
Цельи диссертационной работы, являются исследования
спектральных, генерационных, голографических, акустооптических свойств новых материалов и создание элементов устройств для использования их в различных системах оптической обработки информации и в оптоэлектронике.
Для достижения поставленной цели были сформулированы
следующие задачи^
Выращивание различного типа гранатов, содержащих редкоземельные ионы и ионы переходной группы телеза в различных концентрациях и исследование их спектрально генерационных характеристик при комнатной и низких температурах на созданном комплексе экспериментальных установок.
- Анализ экспериментальных результатов на базе теории
кристаллического поля, поиск путей расширения диапазона и
эффективности оптического излучения полученных кристаллов,
улучшения генерационных характеристик лазеров на их основе.
Создание оптических схем и методик исследования голографической *'еаписи информации на реверсивных средах.
Исследование голографических характеристик фотохромних и
фоторефракторных кристаллов, халькогенидных стеклообразных
полупроводниковых плёнок; установление механизма записи
информации в этих средах и влияния предыстории исходных
объёмных материалов, а такге -[ - излучения
Проведение теоретических и экспериментальных исследований изотропной и анизотропной брэгговской дифракции в кубическом кристалле фосфида галлия ( GaP ) и анизотропной брэгговской дифракции света на кристалле парателлурита ( їеОр ), создание АОД на этих материалах на базе разработанных и созданных установок, методики и технологии изготовления ячеек АОД с большой световой и ультразвуковой апертурой.
Создание и исследование АОД на плавленном кварце ( SI02) с большой световой и ультразвуковой апертурой, а также на парателлурите ( Те02 ) для систем оптической памяти на ленточном фототермопластическом носителе, включая разработку проблем широкополосного согласования.
Проведение исследования акустооптических свойств халькогенидкых стекол и создание ячеек АОД для ИК области спектра.
- б -
ШУЛЙ^Я-Новизна полученных результатов состоит в следующем: >и &- Выращен методом оптической зонной плавки (ОЗП) рад новых монокристаллов граната с различными примесями редкоземельных ионов и ионов переходной группы.
Теоретическая интерпретация экспериментальных данных на базе современной теории кристаллического поля позволила установить схемы штарковских уровней Nd, Tb, Cd, Dy, Cr, to в различных матрицах монокристаллов гранатов.
Выяснен многоцентровой характер люминесценции ионов Сг3+ в ИАГ, доказано существование процесса передачи энергии Сг3+* Nd3'' в HAT:Cr,Ud, установлен характер изменения штарковского расщепления уровней ионов Сг.и Ып в решетках редкоземельных гранатов, показано наличие " по крайней мере четырех типов оптических, центров, содержащих Ш при низких температурах в ИГАГ:М.
- Впервые получены спектры люминесценции HAT:Gd при
возбуждении электронным пучком и данные о параметрах
индуцированного излучения иона Gd в этой матрице.
- Впервые получен эффект генерации вынужденного излучения Nd в
лютеций-алюминиевом,и иттрий-алюмо-галлиевом гранатах, а также
иона Gd3* в иттрий-алюминиевом гранате.
- Вы яснено влияние точечных дефектов и дислокаций в
монокристаллах гранатов на их спектроскопические и генерационные
свойства.
Определены чувствительность, дифракционная эффективность, реверсивность, сохраняемость голографической записи в фотохромних кристаллах содалита, фоторефрактивных кристаллах ниббата лития с примесью железа, ЖП систем As - So. Исследован механизм голографической записи информации ?- -в этих * материалах, а также установлены зависимости оптических и топографических характеристик пленок систем Ав - Se от предыстории исходных объёмных материалов и определено влияние ионизирующего 7-излУчения на оптические и топографические характеристики пленок ситем Ав - S и Ав - Se. Показано, что в интервале доз облучения 103- 109 рентген'оптические свойства и дифракционные эффективности записанных голограмм не меняются.
Впервые теоретически и экспериментально показано наличие анизотропной дифракции в кристалле фосфида галлия с искусственной анизотропией.
- Предложены и использованы оптический поляризационный метод для
контроля однородности статического давления в звукопроводе при
диффузной сварке и метод измерения реального разрешения АОД на
кристаллах GaP ( с искусственной анизотропией ), на
парателлурите ТеОо для систем считывания информации в
голографической системе памяти на ленточном
фототермопластическом носителе и на плавленном кварце с
большой световой и ультразвуковой апертурой.
- Определены акустооптические свойства халькогенидных стекол в тройных Се - S - Se, Се - S - Те, Со - So - ТІ, и четверных Се - БЪ - Se - Те и Се - Sb - Se - ТІ системах и выбраны оптимальные составы стекол для использования в акустооптике и созданы элементы АОД для ИК области.
Достоверность ВЄзу_льтатов___исследованийі полученных
автором диссертации, обеспечивается комплексностью подхода,
включающей использование достаточно совершенного
экспериментального оборудования и интерпретацию опытных данных на
базе современных теоретических моделей. Надежность
спектроскопической информации определяется высоким оптическим
качеством монокристаллов, хорошими спектральными приборами типа
ДФС-12, ДФС-13,'"'}йітачи","Регк1п-Е1гаег" и др. Помимо промышленного
оборудования широко использовались разработки собственных
установок, в частности, при изготовлении ячеек АОД, степень
технического совершенства которых удостоверяется авторскими
свидетельствами. Косвенным подтверждением достоверности
результатов является соответствие их результатам аналогичных
исследований других авторов. Выводы, к которым приходит автор из
анализа экспериментальных данных, основываются на использовании
теории кристаллического поля, . моделей механизмов
фотостимулированных изменений структуры, математического аппарата исследования изотропной и анизотропной дифракции Брэгга.
ШЇІйУї3_51іУимость_р_абдта_сдстоит_в_след^ющем:
- Проведенный комплекс исследований спектрально - генерационных
свойств гранатов позволил расширить набор имеющихся материалов
для оптоэлектронных устройств и лазерной техники. Полученные
данные представляют интерес для поиска новых материалов и могут
быть использованы в практической работе по созданию элементов
оптической инженерии.
- Результаты исследований по голографической записи информации
на кристаллах содалита, ниобата лития и пленках ЖП могут быть'
использованы для записи цифровых и аналоговых сиганалов в системах оптической обработки и для реверсивного хранения информации в голографических запоминающих устройствах.
- Результаты исследования записи информации на кристаллах
ниобата лития с примесью железа позволяют более точно учитывать
эффект фоторефракции при работе кристаллов ниобата лития в
качестве дефлекторов и модуляторов света.
Изготовленные акустоолтические ячейки на SiOu, СаР и ТеО- с пьезопреооразователями из ниобата лития пригодны для использования в качестве акустооптического дефлектора систем оптической памяти.
Экспериментально доказана возможность создания на изотропных материалах АОД, функционирующих в режиме анизотропной дифракции, что позволяет, в принципе, улучшить характеристики АОД почти на порядок по сравнению с режимом изотропной дифракции.
Разработана технология дифузионной сварки преобразователя со звукопроводом и созданы различные варианты экспериментальной установки ( Авторские Свидетельства СССР » 774865, № 1106817, J? 1682094 ), позволяющие создание элементов акустооптических устройств ( дефлекторов, фильтров, модуляторов,, линий задержек ) для систем, оптической обработки информации.
Определены акустооптические свойства халькогенидных стекол тройных и четверных систем, что позволяет выбирать оптимальные составы стекол для использования в акустооптике ИК области.
Реализация и внедрения результатов Ебоі Результаты
исследований радиационной стойкости голографических
характеристик халькогенидных стеклообразных полупроводниковых пленок переданы на использование в НПО "Энергия".Благодаря высокой разрешающей способности и возможности реверсивной записи эти пленки являются весьма перспективным материалом для использования в устройствах оптической обработки информации в экстремальных условиях. Полученные данные нашли применение при разработке предложений по программе развития и использования квантово -оптических средств обработки информации в специальных системах.
В НПО "Астрофизика" внедрены установка, методика и технология изготовления акустооптического дефлектора. Здесь же используются разработанные автором ячейки АОД на плавленном кварце и парателлурите.
Данные по иссделованию АОД на фосфиде галлия и действующие ячейки АОД на СаР; функционирующие в режимах изотропной и
анизотропной дифракции, переданы в НИИ Радиооптики,где полученные результаты использованы при разработке специальных элементов и устройств оптической памяти.
Разработанный и исследованный АОД на парателлурите (Те02 ) для систем считывания информации в голографичеекой системе памяти на ленточном фототермопластическом носителе передан в институт Физики Республики Кыргызстан для использования в изделиях спецтехники. Испытания ячейки дефлектора в системе ленточного томографического запоминающего устройства показали перспективность использования его в системах оптической обработки .и хранения информации. Разработанный дефлектор удовлетворяет техническим требованиям,предъявляемым к нему.Он отличается от других дефлекторов надёжностью, быстродействием при минимальной управляющей мощности, оригинальностью конструкции и малыми габаритами. Кроме того, полученные новые кристаллические материалы, акустооптические элементы и результаты научных исследований были использованы при проведении научно - исследовательских и учебных работ на физическом факультете МГУ, на электро - механическом факультете МЭИ и на физическом факультете ТашГУ, а такте в ряде ВУЗов Республики Узбекистан. В целом результаты работы можно с большим успехом использовать в системах оптической обработки информации, в оптоэлектронике и оптической инженерии, что подтверждается акт?, ми внедрения.
Основные_положенияА вындсимые_на_защиту_:
1. Синтез и выращивание методом оптической зонной плавки ряда
новых монокристаллов со структурой граната с примесьп элементов
. редких земель и ионов переходных групп. Схемы конкретных расчетов
штарковских уровней Ст3*, Ыз3+ и Nd3* в матрицах гранатов в
приближениях слабого, среднего и сильного полей заданной
симметрии. Построение схем уровней из анализа спектроз
поглощения и люминесценции ионов Tb3+, Dy3+, И34-, Сг34", Нп3+ и
Ш "** в различных типах монокристаллов гранатов и исследование
спектрально-генерационных характеристик последних. Характер
зависимости силы кристаллического поля Dq для ионов
Сг"^', Мп ', На + в ряду редкоземельных гранатов,
многоцентровая структура синтезируемых кристаллов и особенности передачи возбуждения от сенсибилизаторов к активаторам.
2. Результаты комплексного исследования реверсивной
голографической записи информации на фотохромних кристаллах содалита и фоторефрактивных кристаллах ниобата лития с примесью железа, а также на халъкогенидных пленках.
3. Данные о зависимости оптических и голографических
характеристик пленок систем Ав - Se от предыстории и состава
исходных объемных материалов. Результаты исследования влияния
ионизируещего излучения на оптические и голографические
характеристики ХСП пленок систем Аз - S и Ав - Se.
-
Реализация анизотропной дифракции в кубическом кристалле фосфида галлия с ^искусственной анизотропией, позволяющей изготовлять АОД с большой эффективностью дифракции в широкой полосе сканирования и с высоким быстродействием.
-
Разработка технологии диффузионной сварки преобразователя со звукопроводом и создание , различных вариантов экспериментальной установки, позволяющих- создание элементов акусто-оптических устройств с различными техническими параметрами для управления лазерным излучением.
6. Результаты создания и комплексного исследования
акусто-оптических ячеек дефлектора на кварце, фосфиде галлия,
парателлурите и на халькогенидных стеклах для видимой и ИК
области спектра.
_^чное_у_частие_автд2а в работах, материал которых является основой диссертации, заключалось в постановке цели и задач исследований,в непосредственном участии в экспериментах, обработке и анализе, обобщении и интерпретации результатов. Основные обобщающие положения диссертации сформулированы лично автором. В диссертации используются результаты исследований выполненных под руководством автора и при его. участии,ряд результатов получен при совместной работе с Л.А.Арсеньевым.Ф.Д.Маматджановым.В.Г.Улановым и др. .которым автор выражает искреннюю признательность.
Работа выполнялась в непосредственной связи с планами УзНПО "Кибернетика" АН РУз и НИИШ ТашГУ по темам, которые включались в Государственные научно-технические программы АН СССР, АН УзССР, ГКНТ СССР, ГКНО СССР, а также. МВО и ГКНТ РУз п^ проблеммам "Голография", "Оптическая обработка информации", "Лазерные системы", "Оптические процессоры". Номера госрегистрации тем: » 76080718; » 01.8 80025721; » 01.93 0000740; » 01.93 0000746.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в монографии "Дефекты б материалах квантовой электроники" (Ташкент, изд-во "Фан", 1Є91 ) и в 47 печатных работах, а также 3
изобретениях. В автореферат включена 41 публикация.
Апробация $9.ІУі Основные результаты работы
докладывались и обсуждались на: Первой Всесоюзной конференции
"Проблемы управления параметрами лазерного излучения" (Ташкент,
1978 ); совещании по элементам голографических систем памяти и
обработки информации (Ташкент, 1980 ); Первой Всесоюзной
конференции по радиооптике (Фрунзе, 1981 ); Всесоюзной
конференции "Регистрирующие среды, методы и аппаратура
голографии" (Кишинев, 1980 ); Двенадцатой Всесоюзной конференции по акустоэлектронике и квантовой акустике (Саратов, 1983 ); Всесоюзной конференции по банку данных (Ташкент, 1983); II - Всесоюзной конференции по радиооптике (Тбилиси, 1985); Ш - Всесоюзной конференции по вычислительной оптоэлектронике (Ереван, 1987 ); заседании Координационного Совета Минвуза СССР по программе "Лазеры " (Ташкент, 1988 ); П-Всесоюзной конференции по оптической обработке информации (Фрунзе, 1990 ); Всесоюзной конференции по проблемам оптической памяти (Телави, 1900 ); Республиканской конференции ученых и специалистов по приборам и средствам автоматизации научных исследований и народного хозяйства (Ташкент, 1991 ); Soviet-Chinese Joint Seminar "Holography and optical information processing * ( SCJSHOIP-91, BISHKEK, 1991 ); У І-Всесоюзной конференции "Голография - 90 " (Витебск, 1990 ); ХГУ - Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике - К и НО'90 (Ленинград, 1991 ); Координационном совещании по стеклообразным полупроводникам (Зеленоград, 1978); совещаниях Межведомственного Координационного Совета по Оптоэлектронике для вычислительной техники и квантовой электроники, а также научных семинарах секции оптической обработки информации АН СССР по проблеме "Голография" (Ташкент, 1985; Москва, 1989, 1990; Ленинград,1982); Научно-технических семинарах МЭИ, МГУ (физфак ), УзНПО "Кибернетика ", НИШІФ ТашГУ. Материал диссертации "Универсальная установка для .диффузионной сварки в вакууме" (авт.СБид. № 774865) участвовал на Всесоюзном конкурсе "Широкое использование в промышленности диффузионного соединения материалов ", где был отмечен призовым местом (протокол '» 29 от 26.06.1980 ).
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из
введения, пяти глав, заключения, трех приложений и содержит 232 страницы машинописного текста, 19 таблиц, ' 90 рисунков, списка литературы в количестве 321 наименования.
