Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ конструкций и методов расчета управляемых дифракционных оптических элементов (ДОЭ) 8
1.1 Анализ вариантов реализации и методов снижения электрического напряжения управляемых ДОЭ 8
1.2 Анализ методов расчета характеристик управляемых ДОЭ 13
1.3 Анализ методов экспериментального исследования управляемых ДОЭ 15
1.4 Анализ методов улучшения функциональности управляемых ДОЭ 17
Выводы к главе 1 27
ГЛАВА 2. Расчет характеристик управляемых дифракционных решеток 28
2.1 Методы формирования фазового пропускания управляемых дифракционных решеток 28
2.2 Анализ распределения электрического поля и фазового пропускания управляемых дифракционных решеток. Показатели электрооптической эффективности 35
2.3 Моделирование фазовых управляемых дифракционных решеток 39
2.4 Моделирование амплитудно-фазовых управляемых дифракционных решеток 46
Выводы к главе 2 52
ГЛАВА 3. Экспериментальное исследование управляемых дифракционных решеток 53
3.1 Исследование спектра пропускания составного элемента «поляризатор -электрооптический кристалл - анализатор» 53
3.2 Исследование влияния оптической связи электрооптического кристалла и резонатора полупроводникового лазера на спектр излучения
3.3 Оценка фазового пропускания управляемых дифракционных решеток на основе кристалла ниобата лития х-среза 63
3.4 Исследование диаграммы направленности управляемых дифракционных решеток
на основе кристалла ниобата лития х-среза 80
3.5 Исследование возникновения и развития оптических неоднородностей в
управляемых дифракционных решетках на основе кристалла ниобата лития х-среза 86
Выводы к главе 3 93
Заключение 95
Список литературы
- Анализ методов расчета характеристик управляемых ДОЭ
- Анализ методов улучшения функциональности управляемых ДОЭ
- Моделирование фазовых управляемых дифракционных решеток
- Исследование влияния оптической связи электрооптического кристалла и резонатора полупроводникового лазера на спектр излучения
Анализ методов расчета характеристик управляемых ДОЭ
Авторами работ [76, 77] изучены конструкции управляемых ДОЭ, в которых излучение распространяется в планарном волноводе параллельно линейным электродам. Достоинством конструкции является низкое управляющее напряжение (десятки вольт), достигаемое увеличением длины пути луча в электрическом поле. К недостаткам следует отнести сложность ввода и вывода излучения, рассеяние света на протяженной фазовой решетке, невозможность создания управляемых ДОЭ с двумерной диаграммой направленности.
Следует отметить способ повышения чувствительности за счет задания рабочей температуры электрооптического материала [78]. Тем самым достигается максимум температурной зависимости электрооптических коэффициентов, обеспечивая существенное снижение управляющего напряжения. Однако данный способ требует нагрева или охлаждения до десятков-сотен градусов, что увеличивает массу и габариты управляемых ДОЭ, усложняет конструкцию. Повышение температуры способно увеличивать рассеяние излучения в кристалле, снижать коэрцитивное поле, вызывать ускоренную деполяризацию кристалла. Этот метод практически неприменим для наиболее эффективных электрооптических материалов с размытым фазовым переходом [56].
Одним из самых эффективных способов повышения чувствительности электрооптических элементов является использование многократного взаимодействия оптического излучения с конструкцией путем реализации интерференционных схем. Для этого используются металлические и/или многослойные диэлектрические зеркальные покрытия с коэффициентом отражения близким к 100%, нанесенные на электрооптический материал. В результате осуществляется многократное взаимодействие излучения с кристаллом, что позволяет значительно, в десятки раз, снизить управляющее напряжение. Наибольшее распространение получили электрооптические элементы в виде управляемых спектральных фильтров и модуляторов, созданных по схемам Фабри-Перо и Жира-Турнуа [55, 78-82]. Однако данные элементы не обладают управляемой диаграммой направленности и не способны обеспечить модуляцию, коммутацию и пространственную адресацию.
Конструкция подобных многоэлементных управляемых ДОЭ включает электрооптический материал, на одной или нескольких поверхностях которого сформированы управляющие электроды и многослойные металлические, диэлектрические или металлодиэлектрические зеркальные покрытия. Данные покрытия также могут обеспечивать электроизоляцию, спектральную, поляризационную избирательность, сужение или подавление лепестков диаграммы направленности. Управление многоэлементным управляемым ДОЭ осуществляется электрическими потенциалами электродов, действие которых усиливается путем многократных отражений. При таком подходе сохраняется функциональность класса управляемых ДОЭ, что позволяет эффективно использовать их в управляющих и информационно-измерительных системах.
Известно несколько работ, посвященных данному направлению. Так, в патенте [39] указано на возможность повышения чувствительности управляемых дифракционных модуляторов при использовании многократных отражений. Однако в работе отсутствует математическое описание и конструктивно-технологические рекомендации.
В кратком сообщении [83] демонстрируется значительное увеличение эффективности дифракционной решетки, внесенной в 20 мкм эталон Жира-Турнуа в качестве 100% отражающего зеркала. Авторы связывают данный эффект с явлением многократных переотражений, в результате которых увеличивается суммарный набег фазы света. Однако математическое описание ограничено известными выражениями для эталона Жира-Турнуа, а границы применения формул для интерференционно-дифракционных элементов отсутствуют. Кроме этого, авторами производится анализ углового пропускания эталона, но не сделан учет изменения фазы света при различных углах отражения. Известно, что данное изменение значительно как для металлических поверхностей электродов [84, 85], так и многослойных диэлектрических зеркал [86].
В патенте [87] рассмотрен интерференционно-дифракционный модулятор, содержащий электрооптический кристалл, на поверхности которого нанесены многослойные зеркальные диэлектрические покрытия. Поверх одного из покрытий сформирована одномерная решетка управляющих электродов. Приложение электрических потенциалов изменяет интенсивность дифракционных максимумов. На основе скалярной теории дифракции и положений интерференционной оптики авторами проведен расчет модуляционной характеристики. Недостатком принятого подхода является учет только интерференционных отражений в кристалле без анализа дифракционного рассеяния световой волны. Не учитывались зависимости коэффициента отражения, пропускания, фазы световой волны при различных углах падения на многослойные покрытия. Данные зависимости существенно изменяют условия оптического резонанса и диаграмму направленности. Не учтено экранирование электрического поля многослойным диэлектрическим покрытием, которое повышает управляющее напряжение.
Авторами статьи [88] рассмотрен интерференционный модулятор, содержащий тонкий слой жидкого кристалла, ориентирующие слои, полупрозрачные металлические зеркала 12 электроды и встречно-ориентированные диэлектрические пилообразные структуры. Фазовое пропускание элемента задается различным проникновением электрического поля в резонатор через встречно-ориентированные диэлектрические пилообразные структуры. В результате приложения напряжения изменяется дифракционная эффективность элемента, т.е. осуществляется модуляция интенсивности излучения. Недостатками такого подхода является сложность создания контактирующих разнородных пилообразных диэлектрических структур с периодом микрорельефа порядка несколько микрометров. Кроме этого, фиксированный микрорельеф будет ограничивать возможности управления диаграммой направленности в сравнении, например, с индивидуально адресуемыми электродами. В указанной работе также отсутствует математическое описание, поскольку расчет характеристик модулятора производится с помощью коммерческой программы GSOLVER [89].
В цикле работ [90-92] продемонстрирован внутрирезонаторный многоканальный электрооптический модулятор, используемый для управления диаграммой направленности газового DF и твердотельного Nd:YAG лазеров. Модулятор был выполнен на пластине электрооптической мелкозернистой ЦТСЛ-керамики, на поверхности которого были сформированы электроды шириной 60 мкм и периодом 1000 мкм. При подаче управляющего напряжения на соседние электроды, элементарная ячейка модулятора открывалась и осуществлялась лазерная генерация с высвечиванием в определенном угловом направлении. Авторами [90-92] отмечается зависимость управляющего напряжения электрооптических элементов от числа проходов оптического излучения. Для повышения разрешающей способности (позиций отклонения) необходимо уменьшать размеры элементарной ячейки лазера. Это уменьшение будет ограничено дифракционной расходимостью излучения на выходе модулятора и возрастанием потерь на рассеяние в протяженном резонаторе. Для устранения этого недостатка необходимо изготовить электрооптический модулятор в виде внешнего резонатора лазера. Такой резонатор будет представлять собой тонкую (десятки-сотни мкм) плоскопараллельную пластину из электрооптического материала, с нанесенными управляющими электродами и зеркальными покрытиями. Многократное отражение излучения во внешнем резонаторе существенно снизит управляющее напряжение, а наличие множественных электродов - осуществить управление диаграммой направленности. Однако это требует создания математических моделей, учитывающих взаимодействие излучения с интерференционно-дифракционными структурами, а также оптическую связь лазерного и внешнего резонаторов.
Анализ методов улучшения функциональности управляемых ДОЭ
Под фазовой управляемой дифракционной решеткой будем понимать элемент, в котором действие напряжения приводит к изменению фазового пропускания. Фазовыми являются управляемые дифракционные решетки, не обладающие поляризационной избирательностью. Т.е. период электродов должен значительно превышать длину волны, а в конструкции отсутствуют поляризующие покрытия. Излучение линейно поляризовано вдоль одной из осей кристалла, а поворота индикатрисы под действием электрического поля не происходит.
Рассмотрим управляемую дифракционную решетку, содержащую электрооптический кристалл ниобата лития х-среза 1, на который нанесено защитное покрытие 3 и управляющие электроды 2, имеющие вид протяженных полос шириной Ъ и периодом d=a+b (рисунок 2.8). Излучение 5 после прохождения электродов перераспределяется в пространстве в виде дифракционных порядков, которые фиксируются в плоскости регистрации 4.
Конструкция фазовой управляемой дифракционной решетки: 1 -электрооптический кристалл; 2 - электроды; 3 - защитное покрытие; 4 - плоскость регистрации; 5 - падающее излучение; 6 - дифракционные порядки в дальней зоне
При выборе толщины кристалла необходимо учитывать глубину проникновения поля в кристалл, а также оптическое поглощение электрооптического кристалла [57]. Проведем расчет фазового пропускания и диаграммы направленности управляемой решетки без учета многократного отражения излучения. Погрешность 8 предложенного подхода будет определяться влиянием излучения, отраженного от нижней поверхности кристалла и поступившего в плоскость регистрации. Поскольку в рассматриваемой конструкции интенсивности отраженных волн быстро убывают, для оценки величины погрешности используем интенсивность первой прошедшей волны її и второй прошедшей ВОЛНЫ І2, однократно отраженной от нижней поверхности кристалла: Расчет электрического поля показал, что глубина его проникновения в кристалл при a/d=0,5 приблизительно равна периоду электродов d. Соотношение L«nd /(2тск), где L - длина взаимодействия излучения с областью электрического поля, позволяет установить вид дифракции Рамана-Ната для управляемой дифракционной решетки с периодом электродов десятки микрометров и =0,633 мкм. С учетом условия d»X для расчета диаграммы направленности решетки было выбрано скалярное приближение дифракции в виде интеграла Рэлея-Зоммерфельда: где z, zi - координата плоскости электродов и плоскости регистрации; zu, zn - пределы освещенной области электродов; г - радиус вектор, соединяющий координаты z, zf, (pnad(z) -фазовое пропускание при отсутствии напряжения, рад. Величина p„ad(z) задавалась постоянной во всех межэлектродных зазорах управляемой решетки.
Для расчета амплитуды излучения в плоскости решетки электродов необходимо учесть ослабление излучения при отражении от верхней и нижней поверхности кристалла и поглощение в толщине ЭОК, определяемые формулами (2.1), (2.2): где t3Jl - пропускание электродов. Запишем t3Jl для электродов шириной Ъ с межэлектродным зазором а. Полагая центр решетки совмещенным с центром координатной оси z, а расположение электродов - периодичным, для пропускания справедливо:
Для моделирования фазового пропускания управляемых дифракционных решеток использовано уравнение индикатрисы х-среза ниобата лития и расчетное распределение электрического поля в кристалле. Оптическая ось кристалла ориентировалась перпендикулярно электродам. Следовательно, фазовое пропускание (pe(z) необыкновенной волны для решетки в приближении линейного электрооптического эффекта равна: где ns - необыкновенный показатель преломления ниобата лития; гзз - линейный электрооптический коэффициент, м/В; X - длина волны излучения, м; h - толщина кристалла, м; Ez(x,z) - напряженность поля вдоль оси z кристалла, В/м. Формула справедлива для фазовых управляемых дифракционных решеток на основе ниобата лития х-среза, в котором не происходит поворота эллипса показателей преломления и изменения поляризации излучения.
Поскольку расчет электрического поля в данной работе производился численным методом, формула (2.5) для расчета фазового пропускания примет вид конечной суммы: оси, м; Elz,J - напряженность поля вдоль оптической оси кристалла, В/м. Из формулы (2.6) следует метод снижения вычислительной сложности расчета, заключающийся в учете тех точек кристалла (i,j), где электрическое поле имеет достаточно большое значение. Как показывают расчеты для одностороннего расположения электродов с потенциалами вида OvOv, электрическое поле сосредоточено в поверхностном слое толщиной около периода электродов. Это позволяет существенно, в десятки - сотни раз, сократить объем вычислений. Для потенциалов vOvO и vOOvOO рассчитано фазовое пропускание A pe(z) управляемых решеток на основе х-среза ниобата лития (рисунок 2.10). Период электродов Й?=300 МКМ, межэлектродный зазор а=150 мкм, толщина кристалла h=\ мм, относительные диэлектрические проницаемости кристалла у=83, z=24,5. При расчете электроды предполагались прозрачными. Межэлектродным зазорам соответствуют координаты -150..0, 150..300, 450..600, 750..900, 1050.. 1200, 1350.. 1500 мкм, в которых фазовое пропускание приблизительно равномерно. а) распределение потенциалов vOvO; б) распределение потенциалов vOOvOO Отметим, что изложенный выше расчет фазового пропускания может быть упрощен, если положить равномерное распределение фазового пропускания в зазоре. В этом случае изменение фазы линейно связано с разностью потенциалов Uуправляющих электродов: где ки - коэффициент пропорциональности, рад/В; U - межэлектродное напряжение, В. Полуволновое напряжение Un, соответствующее изменению фазы на я, будет равно Un=n/ku- В качестве примера рассчитаны значения ки для х-среза кристалла ЫМЮз с ориентацией z-оси перпендикулярно электродам с чередующимися потенциалами вида vOvO (таблица 2.3).
Полуволновое напряжение (2.7) для управляемых дифракционных решеток с потенциалами vOvO в два раза меньше расчетного значения п/кц. Причиной является противоположное по знаку изменение фазы на выходе соседних межэлектродных зазорах за счет противоположной направленности вектора напряженности поля Е2при потенциалах vOvO.
Из данных таблицы 2.3 также следует, что при постоянном периоде уменьшение ширины межэлектродной щели увеличивает чувствительность к напряжению. Это объясняется увеличением глубины проникновения электрического поля в ЭОК. Однако повышение чувствительности фазового пропускания к напряжению при уменьшении межэлектродной щели сопровождается падением пропускания управляемых дифракционных решеток.
На основе (2.3) - (2.6) были рассчитаны диаграммы направленности для управляемых дифракционных решеток из 11 электродов с периодом Й?=300 мкм и межэлектродным зазором а=150 мкм (рисунок 2.11). Сплошной линией показано распределение интенсивности при нулевых потенциалах, штриховой - при потенциалах v=1020 В. Рисунок 2.11,а соответствует фазовому пропусканию с двухуровневым квантованием (рисунок 2.10,а). Рис.2.11,6 соответствует - с трехуровневым квантованием (рисунок 2.10,6).
Моделирование фазовых управляемых дифракционных решеток
Настройка схемы включала установку нормального падения излучения на резонатор и установку угла поворота поляризатора. Настройка нормали производилась грубо по совпадению отраженного излучения с коллимирующей линзой полупроводникового лазера, точно - по сдвигу спектра в коротковолновую область. Угол поворота поляризатора контролировался поворотной оправой с ценой деления 2, положение внешнего резонатора -двумерной угловой оправой с чувствительностью 0,001.
В первом эксперименте исследовался характер изменения спектра излучения при изменении оптической толщины внешнего резонатора. Резонатором служила плоскопараллельная пластина z-среза конгруэнтного ниобата лития толщиной 0,21 мм. Изменение угла падения на внешний резонатор приводило только к увеличению оптической толщины без заметного изменения коэффициента отражения интерференционного зеркала. Сдвиг генерируемой моды при повороте внешнего резонатора: сплошная линия нормальное падение, штриховая линия - падение под углом 0,02.
Генерируемые моды лазера на рисунке 3.5 частично перекрываются, что свидетельствует о непрерывном характере смещения спектра излучения. При повороте внешнего резонатора от 0 до 0,02 основная мода смещается от 7=638,636 нм до 2=638,664 нм. Для всех промежуточных углов наблюдались непрерывно изменяемые положения генерируемой моды. При увеличении угла поворота резонатора более 0,02 связь резонаторов нарушалась, а спектр излучения оставался в крайнем правом положении А2=63 8,664 нм.
Во втором эксперименте исследовались резонансы обыкновенной и необыкновенной волн, возбуждаемых последовательно во времени. В качестве резонатора использовался двулучепреломляющий х-срез конгруэнтного ниобата лития с показателями преломления ио=2,286 и ие=2,2 [55]. Возбуждение обыкновенной или необыкновенной волны осуществлялось установкой поляризатора в положение 0 или ж/2 соответственно. Результаты измерений приведены на рисунке 3.6. f 0,8 -і-ол 0,6 -Ьо1 0,4 -иішї 0,2 - і ; ; 638 ,30 638,37 638,44 638,51 638,59 638,66 Длина волны,нм
Моды излучения на рисунке 3.6 частично перекрываются, что подтверждает непрерывный характер изменения спектра, в наибольшей степени определяемый свойствами внешнего резонатора. Двулучепреломление внешнего резонатора делает возможным смещение основной генерируемой моды при повороте поляризатора от 0 (параллельно обыкновенной оси) до я/2 (параллельно необыкновенной оси). Соответственно этим положениям поляризатора наблюдается генерация на длине волны Л,макс=63 8,489 нм или Л,макс=63 8,621 нм. Полученные экспериментальные данные качественно совпадают с результатами работы [127], где использовался двулучепреломляющий канальный волновод в ниобате лития с резонатором -решеткой Брэгга.
Для быстрого, в единицы наносекунд, поворота плоскости поляризации в системах передачи информации может использоваться электрооптическая полуволновая пластинка. Если излучение лазера поляризовано, такой пластиной может являться внешний резонатор, изготовленный из электрооптического материала.
Одновременное возбуждение обыкновенной и необыкновенной волн приводит к генерации двух основных мод, сравнимых по интенсивности. При этом число неосновных мод увеличивается с 6..7 до 12..13. По-видимому, это обусловлено положительной обратной связью, создаваемой внешним резонатором в нескольких участках спектра. Это делает возможным проявление резонансной структуры внешнего резонатора, наложенной на спектр излучения полупроводникового лазера. В зависимости от толщины внешнего резонатора взаимное расположение спектральных максимумов обыкновенной и необыкновенной волн может отличаться. Однако расстояние АХ0Ш между основными модами, обусловленными двулучепреломлением внешнего резонатора, не превосходит:
Для однозначного выбора генерирующей моды для передачи информации необходимо, чтобы расстояние между спектральными пиками внешнего резонатора (FSR) превосходило ширину спектра излучения лазера: FSR (l,5..2)A a3- Для красного лазера типа KLM-A635-2-5 измеренная ширина спектра составила АХЛаз=0,7..0,8 нм при межмодовом расстоянии АХМод=0,095..0,098 нм. Для инфракрасного лазера с центральной длиной волны 840-850 нм ширина спектра составляет АХлаз=1,5..2 нм. Это означает, что толщина внешнего резонатора на основе ниобата лития не должна превосходить 60..80 мкм для красного лазера и 40-50 мкм для ближнего инфракрасного.
Таким образом, использование двулучепреломляющего внешнего резонатора, оптически связанного с резонатором полупроводникового лазера, позволяет осуществить генерацию на двух основных модах. Спектральное положение этих мод определяется резонансом обыкновенной и необыкновенной волны во внешнем резонаторе. Генерируемые моды находятся в пределах спектра излучения лазера, являются преобладающими и стабильными во времени. При этом достигается автоматическая стабилизация спектра излучения за счет положительной обратной связи и эффекта выжигания мод. Одновременно сохраняется высокая энергетическая эффективность генерации лазера, а потери, связанные со спектральной фильтрацией, практически исключаются.
Для оценки фазового пропускания предлагается использовать поляризационный метод, разработанный в [128 ]. Известно, что пропускание межэлектродного зазора изменяется при подаче управляющего напряжения за счет изменения состояния поляризации излучения, проходящего структуру «поляризатор - двулучепреломляющий электрооптический кристалл -анализатор». Процесс измерения содержит два этапа. На первом производится измерение волновой разности хода (ВРХ) кристалла при отсутствии электрического напряжения. На втором - определение пропускания межэлектродного зазора управляемых дифракционных решеток при подаче напряжения. Поскольку ВРХ определяет начальную рабочую точку зависимости пропускания от напряжения, это позволяет установить однозначную зависимость между пропусканием межэлектродного зазора и фазового пропускания.
Реализация обоих этапов должна производиться с одним источником излучения, а измерение следует осуществлять в одной и той же локальной области кристалла. Поэтому известные методы измерения ВРХ [129, 130], связанные с перемещением кристалла на предметные столики сторонних измерительных приборов, неприменимы
Исследование влияния оптической связи электрооптического кристалла и резонатора полупроводникового лазера на спектр излучения
Оптические неоднородности имеют иглообразную форму, ориентированы перпендикулярно электродам и примыкают к электродам с отрицательным потенциалом. Распространение неоднородностей в поле знакопеременных электродов наблюдается преимущественно в одном направлении, что объясняется влиянием внутреннего коэрцитивного поля кристалла (около 20 кВ/мм), действующего вдоль полярной оси Z. Длина неоднородностей составляет до 100 мкм, ширина - до 10 мкм. Вблизи краев электродов наблюдается увеличение размеров неоднородностей (рисунок 3.22,6), обусловленное повышенной напряженностью электрического поля у прямоугольных углов. В глубине межэлектродного зазора (рисунок 3.22,а) их размеры в целом меньше, чем вблизи края. Поперечные размеры и частота расположения неоднородностей обуславливают рассеяние оптического излучения в плоскости XY, что снижает интенсивность 0-го порядка.
Исследование структуры неоднородностей производилось поляризационно-оптическим методом на микроскопе Биомед-5П. Поляризатор ориентировался параллельно оптической оси Z кристалла. Ось анализатора составляла угол от 5 до 30 с оптической осью кристалла. Наблюдение темных и светлых полос при такой ориентации поляризатора, кристалла и анализатора означает, что в окрестности неоднородностей существует электрическое поле Еу, параллельное 7-оси кристалла и электродам, которое вызывает поворот оптической оси ниобата лития. Можно утверждать, что поле Еу имеет противоположное направление ниже и выше горизонтальной оси симметрии неоднородности. Именно это обуславливает поворот индикатрисы кристалла в различных направлениях и наличие темной и светлой полосы выше и ниже оси симметрии иглообразной неоднородности. Данное утверждение находится в согласии с уравнением индикатрисы для TZ-плоскости ниобата лития, записанной в приближении линейного электрооптического эффекта [55]:
Исследование поляризационно-оптическим методом также показало, что неоднородности практически полностью формируются в первом цикле переключения. Это подтверждается и характером зависимостей Io(U) на рисунке 3.21, где отличие прямой и обратной ветвей максимально для первого цикла переключения. Время жизни неоднородностей, формируемых напряжением до 792 В в течение нескольких минут, составляет нескольких недель в лабораторных условиях при отключенном напряжении и незакороченных электродах. Нагрев образцов на воздухе при t=150-170C в течение 10 мин полностью устраняет видимые неоднородности.
Из данных рисунков 3.21, 3.22 следует, что формирование устойчивых иглообразных неоднородностей в поверхностном слое Х-среза ниобата лития снижает чувствительность интенсивностей порядков дифракции к напряжению в результате деполяризации и рассеяния излучения. Формирование сквозных неоднородностей приводит к снижению межэлектродного напряжения и уменьшению чувствительности управляемых дифракционных решеток. Влияние оптических неоднородностей на диаграмму направленности и модуляционную характеристику необходимо учитывать при создании электрооптических дифракционных устройств.
Исследование возникновения и развития оптических неоднородностей в управляемых дифракционных решетках на основе кристалла ниобата лития х-среза Для исследования механизмов возникновения оптических неоднородностей использовались управляемые дифракционные решетки, изготовленные по методике п.3.4. Образцы помещались на диэлектрическое основание, закрепленное на предметном столике поляризационного микроскопа. Шаг изменения напряжения источника питания равен 25-26 В, длительность приложения напряжения на каждом шаге составляла 60 сек. Такой подход позволял исследовать основные этапы возникновения и развития оптических неоднородностей.
Пропускание межэлектродных зазоров исследовалось в поляризационном микроскопе Биомед-5П с галогеновым осветителем мощностью 0,5 Вт/мм на поверхности кристалла. В процессе исследования осветитель не выключался. Ось поляризатора ориентировалась параллельно 7-оси кристалла, ось анализатора - под углом 15 к 7-оси кристалла. Изображение межэлектродных зазоров регистрировалось ПЗС-камерой DCM 310 с разрешением 1024x768. Для исключения появления фоторефрактивных неоднородностей в ниобате лития использовался длинноволновый фильтр с граничной длиной волны 580 нм.
Поляризационный метод наблюдения основан на повороте оптической индикатрисы кристалла под действием электрических полей, который изменяет поляризацию проходящего излучения. Это изменение поляризации обуславливает осветление или потемнение наблюдаемой поверхности за счет использования поляроидов, установленных после образца. Рассмотрим уравнение индикатрисы Х-среза ниобата лития (3.17). Из уравнения следует, что напряженность поля Еу вызывает поворот оптической индикатрисы и изменение яркости наблюдаемой области кристалла. Напряженность Еу для рассматриваемого случая создается либо электрическим полем иглообразных неоднородностей, ориентированных вдоль полярной оси Z, либо электрическим полем торцов электродов перпендикулярных полярной оси. Причем одно направление поля Еу вызывает потемнение поля зрения микроскопа, а противоположное - ее просветление, поскольку изменение показателя преломления имеет первый порядок по напряженности. На рисунке 3.24 приведены фотографии неоднородностей в межэлектродных зазорах при различных напряжениях. поверхностного заряда полем Еу у торца электрода, 2 - начальный этап формирования неоднородностей полем Ez, 3 - скачкообразное увеличение размеров неоднородностей, 4 прорастание неоднородностей до положительного электрода При отсутствии напряжения поверхность кристалла имела однородный серый окрас (рисунок 3.24, а). Электроды обладали достаточной толщиной и сплошностью структуры и были непрозрачны для галогенового освещения (показаны черным).
При напряжениях от 120-130 В наблюдалось возникновение темной и светлой полос, параллельных торцам положительных и отрицательных электродов (участок 1 на рисунке 3.24, б). Наблюдение полос в приэлектродной области шириной 15-20 мкм при расстоянии от торца отрицательного электрода до верхнего положительного 500 мкм сообщает о локализации электрического поля Еу. Следовательно, можно предположить наличие слабосвязанных зарядов в поверхностном слое кристалла, перемещаемых полем электродов перпендикулярно полярной оси. Эти заряды оказывают экранирующее действие на поле торца отрицательного электрода.
При напряжениях от 120-130 до 630-660 В между электродами наблюдались иглообразные оптические неоднородности длиной до 25-30 мкм, ориентированные вдоль полярной оси параллельно силовым линиям поля электродов. Их зарождение начинается у электрода с отрицательным потенциалом. Неоднородность состоит из двух частей: одна часть имеет приблизительно равномерную ширину, а вторая представляет собой иглообразную вершину. На рисунке 3.25 приведена фотография типичной оптической неоднородности, наблюдаемой в поляризационном микроскопе.
