Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Динамические голографические элементы. Их реализация в трехмерных средах
1.1. Применение голографии 10
1.1.1. Плоские голограммы и голограммы в трехмерных средах. Голограмма как зеркало 10
1.1.2. Голографическая интерферометрия 14
1.1.3. Голографические фильтры для управления лазерным излучением 16
1.1.4. Пространственная голографическая фильтрация и ее использование для решения проблем оптической корреляции и коррекции качества изображения 18
1.1.4.1. Пространственный топографический фильтр 18
1.1.4.2. Г олографический коррелятор 19
1.1.4.3. Голографическая коррекция качества изображений 22
1.1.5. Голографические переключатели линий оптической связи 23
1.1.6. Голографическая память 26
1.2. Традиционные голографические среды и их динамические возможности 27
1.2.1. Запись голограмм в трехмерных средах - условия, требования к материалу 27
1.2.1.1. Материалы с амплитудной модуляцией 28
1.2.1.2. Материалы с фазовой модуляцией 28
1.2.1.3. Требования, предъявляемые к топографической среде 30
1.2.2. Среды, содержащие бактериородопсин 34
1.2.3. Фоторефрактивные материалы 36
1.2.4. Жидкие кристаллы 40
Глава 2. Фторид кадмия с бистабильными примесными центрами как среда динамической голографии
2.1. Фотохромные центры в полупроводниковых кристаллах фторида кадмия 44
2.1.1. Широкозонный кристалл Соїг и его превращение в полупроводниковое состояние 44
2.1.2. Бистабильные примесные центры в кристаллах СаТг 47
2.1.3. Фото- и термопревращения бистабильных центров в кристаллах CdF2.. 48
2.2. Механизмы записи и распада голографических решеток в кристаллах СсШг с бистабильными центрами 55
2.3. Температурная зависимость времени отклика и дифракционной эффективности для кристаллов CdF^Ga и CdF2:Ga,Y 60
2.4. Температурная зависимость времени отклика и дифракционной эффективности для кристалла CdF2:In 64
2.5. Разрешающая способность кристаллов 69
2.5.1. Пространственное разрешение голографических сред на основе кристаллов Cdp2:Ga 69
2.5.2. Пространственное разрешение голографических сред на основе кристаллов CdF2:In 69
2.6. Чувствительность кристаллов CdF2 с бистабильньши центрами по отношению к записи в них голограмм 71
Глава 3. Запись информации и реализация голографического динамического коррелятора на основе кристалла фторида кадмия
3.1. Введение 73
3.2. Голографические корреляторы 73
3.2.1. Схемы корреляторов 73
3.2.2. Среды для голографических корреляторов 74
3.2.3. Транспаранты для корреляторов и требования к ним 75
3.2.4. Некоторые проблемы, возникающие при реализации голографических корреляторов 76
3.3. Запись информационных транспарантов во фториде кадмия 77
3.3.1, Образец и схема записи 77
3.3.2, Экспериментальные результаты 79
3.4. Коррелятор Ван дер Люгта на основе фторида кадмия 80
3.4.1. Образец и схема эксперимента 81
3.4.2. Результаты эксперимента 84
Глава 4. Динамическая голографическая коррекция волнового фронта и качества изображений с помощью голограмм на фториде кадмия
4.1. Введение 89
4.2. Динамический голографический корректор изображений на основе кристалла CdF2:Ga,Y 92
4.2.1. Образец и схема эксперимента 92
4.2.2, Экспериментальные результаты и их обсуждение 96
4.2.2.1. Качество отраженного пучка 96
4.2.2.2. Параметры голограмм 99
4.2.2.3. Компенсация модельного искажения 100
4.3. Динамический голографический корректор волнового фронта на основе кристалла CdF2:In 102
4.3.1. Образец и схема эксперимента 103
4.3.2. Оптимизация источника волн накачки 104
4.3.3. Энергетические и временные характеристики ОВФ-зеркала 105
4.3.4. Качество ОВФ-волны 105
4.3.5. Компенсация модельных фазовых искажений 106
Заключение 111
Литература 114
- Плоские голограммы и голограммы в трехмерных средах. Голограмма как зеркало
- Механизмы записи и распада голографических решеток в кристаллах СсШг с бистабильными центрами
- Некоторые проблемы, возникающие при реализации голографических корреляторов
- Динамический голографический корректор волнового фронта на основе кристалла CdF2:In
Введение к работе
В настоящее время голография широко востребована в различных областях науки и техники. Возможности, которые она открывает, позволяют успешно применять ее для решения важных задач в областях телекоммуникации, оптической обработки информации, высокоточных измерений, лазерных технологий и др. Значительная часть этих задач должна решаться в реальном времени, для чего нужны динамические голографические среды.
Различные варианты применения динамических топографических сред предъявляют к ним разнообразные, зачастую противоречащие друг другу требования. «Идеальная» среда должна была бы иметь малое время отклика, обладать высокой чувствительностью, обеспечивать воспроизведение широкого спектра пространственных частот при хорошей дифракционной эффективности (ДЭ), иметь широкую спектральную область чувствительности, допускать неограниченное число актов записи/считывания, быть технологичной, т.е. обеспечивать производство голографических элементов достаточно большого размера и хорошего оптического качества при доступной цене [1]. В настоящее время такого «идеального» материала не существует - используемые голографические среды, как правило, имеют преимущества по одним параметрам, но недостатки по другим. Это стимулирует процесс поиска новых сред, удовлетворяющих требованиям, предъявляемым современными областями науки и техники, связанными с информационными оптическими 'технологиями. Особый интерес представляют объемные голографические среды, используемые как в качестве носителей оптической информации, так и в качестве пространственных голографических фильтров в системах оптической обработки информации (голографические корреляторы, нейронные сети, элементы машинного зрения и т.п.).
Из числа широко используемых голографических материалов следует, в первую очередь, отметить фоторефрактивные кристаллы (ФРК) на основе которых создано большое число голографических элементов [1, 2]. Вместе с тем, их использование для решения динамических задач голографии ограничивается такими факторами как сравнительно большое время цикла записи/считывания/перезаписи информации в ФРК и необходимость приложения к кристаллу внешнего электрического поля для достижения требуемых значений дифракционной эффективности и быстродействия, что ограничивает цикличность материала. Кроме того, их использование в динамическом режиме, как
правило, требует принудительного оптического стирания записанной голограммы или нагревания до температур ~ 200 -г- 300 С. В последнее время широко используются органические фоторефрактивные материалы (фоторефрактивные полимеры) [3]. Они изготавливаются в виде тонких слоев (толщина ~ 100 мкм), заключенных между прозрачными электродами. Такие полимеры демонстрируют высокую дифракционную эффективность (до 90 %) и могут, в принципе, обладать как достаточно быстрыми временами отклика (вплоть до мс), так и неплохим разрешением (сотни линий на мм), однако совмещение двух последних качеств в одном материале представляется проблематичным.
Настоящая работа посвящена исследованию нового класса динамических голографических сред ыа основе кристаллов фторида кадмия с бисгабильиыми примесными центрами. По совокупности свойств, предлагаемые среды могут быть весьма перспективны во многих областях применения, связанных с голографической обработкой информации. Целями работы являются исследование фотоиндуцированных процессов в полупроводниковых кристаллах фторида кадмия с DX-центрами, приводящих к изменению их оптических свойств, характеризация этих кристаллов как сред голографии в реальном масштабе времени и анализ возможных областей использования этих сред. В задачи работы входило: получение экспериментальных данных о температурных зависимостях базовых параметров динамических голограмм, записываемых в кристаллах фторида кадмия с бистабильными примесными центрами (их дифракционной эффективности и времени распада), оценка разрешающей способности и чувствительности исследуемых сред, исследование возможности реализации на их основе динамического голографического коррелятора с пространственным фильтром и корректора искажений волновых фронтов и изображений.
Практическое значение работы состоит в том, что исследованы основные свойства новой среды динамической голографии - кристалла фторида кадмия с бистабильными центрами, а также экспериментально продемонстрирована возможность ее использования в задачах распознавания образов и в устройствах коррекции искажений волновых фронтов и изображений в реальном масштабе времени.
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения.
В первой главе дается обзор литературы, В первой части рассматриваются основные направления применения голографии в научных и прикладных задачах, приводятся конкретные примеры реализации схем с использованием голографических
элементов, в том числе работающих в динамическом режиме. Описываются как традиционные голографические методы и элементы, так и перспективные разработки, интенсивно развиваемые в настоящее время. В частности, значительное внимание уделено пространственной голографической фильтрации и ее использованию для оптической корреляции сигналов и изображений, а также для коррекции качества изображения; обсуждаются существующие схемы корреляторов и корректоров, проводится их сравнительный анализ, выявляются ключевые моменты, ограничивающие возможности этих устройств.
Вторая часть литературного обзора посвящена средам, используемым для создания голографических элементов. Описываются основные группы материалов, получивших широкое распространение в задачах голографии, приводятся их основные свойства, перечислены их достоинства и недостатки с точки зрения задач динамической обработки информации методами голографии.
Во второй главе описывается новый класс сред динамической голографии -кристаллы фторида кадмия с бистабильными примесными центрами. Рассматривается процедура перевода кристалла фторида кадмия с трехвалентными примесями в полупроводниковое состояние, обеспечивающая формирование бистабильных (DX) центров - аддитивное окрашивание. Обсуждаются свойства этих центров в кристаллах CdF2:In, CdF2:Ga, CdF2:Ga,Y, электронная и геометрическая структура центров, термо- и фотопревращения их состояний. Рассмотрен механизм фотохромии исследуемых кристаллов. Приводятся экспериментальные данные по изменению их оптических свойств при фотовозбуждении кристаллов. Показано, что фотохромия кристаллов CdF2 с бистабильными центрами создает принципиальную возможность записи обратимых фазовых и амплитудно-фазовых голограмм в области спектральной щели между полосами поглощения основного и метастабильного состояний DX-центра. Голограммы в кристаллах с такими центрами носят динамический характер вследствие наличия потенциального барьера, разделяющего состояния центра, а распад голограммы происходит по бимолекулярному закону.
Экспериментально определены температурные зависимости времени отклика и дифракционной эффективности для кристаллов CdF2:Ga, CdF2;Ga,Y, CdF2:In. Приведенные данные позволяют оценить быстродействие сред на основе кристаллов Cdp2j в частности, для кристалла CdF2:In оно лежит в области 10 МГц (при комнатной температуре). Полученные результаты дают возможность выбрать оптимальную толщину
кристалла и оптимальные условия записи/считывания динамических голограмм для решения конкретных задач.
В заключительной части главы приводятся экспериментальные данные по диапазону пространственных частот записанных на рассматриваемых средах голограмм (80 + 5000 мм"1). В совокупности со значением светочувствительности этих кристаллов (0,3 - 0,5 Дж/см2 для достижения относительной дифракционной эффективности примерно 100 % при температурах, при которых не происходит распада мелких центров), это свидетельствует о перспективности использования данных сред для решения широкого круга задач динамической голографии.
В третьей главе рассматривается запись информационных транспарантов в кристалле CdF2:In и реализация на основе этого кристалла динамического голографического коррелятора. В первой части главы приводятся краткие сведения о технических достижениях в области создания элементов корреляторов (информационные транспаранты, системы регистрации) и факторах, ограничивающих быстродействие последних. Приведены основные требования к голографическим средам, которые могут применяться в качестве пространственных фильтров динамических оптических корреляторов.
Во второй части главы описываются оптические схемы, используемые для записи информационных транспарантов и реализации коррелятора Ван дер Люгта. Продемонстрирована запись и восстановление голограмм бинарных транспарантов при работе в зеленом и красном диапазонах спектра в квазистатическом и динамическом режимах. В схеме коррелятора Ван дер Люгта при использовании излучения импульсного Nd:YAG лазера проведено успешное опознавание записанного в кристалле образа и проанализированы возможные источники ошибок при его опознавании.
В четвертой главе представлены результаты экспериментов по динамической коррекции искажений волнового фронта и качества изображений с помощью голограмм, записываемых во фториде кадмия. В первой части главы проведено исследование объемных динамических голограмм, записанных встречными пучками аргонового лазера в кристалле СсШг с бистабильными центрами Ga. В ходе работы был осуществлен демонстрационный эксперимент по компенсации модельных динамических искажений волнового фронта при помощи голографического корректора на основе таких голограмм.
Во второй части главы исследована возможность использования кристалла CdF2:In в задачах коррекции модельных фазовых искажений волнового фронта. Приведено
описание схемы эксперимента по коррекции искажений изображений с помощью обращения волнового фронта (ОВФ) в этом кристалле при использовании импульсного рубинового лазера. Проведенные эксперименты демонстрируют принципиальную возможность использования кристаллов Cd?2 с бистабильными центрами для коррекции динамических искажений изображений или корректировки возмущений волнового фронта импульсных или частотно-импульсных лазеров.
На защиту выносятся следующие основные положения диссертационной работы:
Фотоиндуцированное изменение спектра поглощения кристаллов CdF2 с бистабильными центрами обеспечивает запись в них фазовых голограмм в области спектральной щели между полосами поглощения, соответствующими двум состояниям центра.
Наличие потенциального барьера между двумя состояниями бистабильного центра в кристаллах CdF2:Ga, CdF2:In позволяет использовать их как среды голографии в реальном времени, при этом время формирования голограммы определяется плотностью мощности лазерного импульса, а время ее распада - температурой кристалла.
Спектр пространственных частот интерференционной картины, записываемой в кристаллах CdF2 с бистабильными центрами, показывает возможность создания на основе этих кристаллов широкополосных фильтров пространственных частот.
На основе кристалла CdF2:In может быть разработан быстродействующий оптический коррелятор.
Кристаллы CdF2 с бистабильными центрами могут быть использованы для динамической голографической коррекции качества волновых фронтов и изображений.
Плоские голограммы и голограммы в трехмерных средах. Голограмма как зеркало
Вторая часть литературного обзора посвящена средам, используемым для создания голографических элементов. Описываются основные группы материалов, получивших широкое распространение в задачах голографии, приводятся их основные свойства, перечислены их достоинства и недостатки с точки зрения задач динамической обработки информации методами голографии.
Во второй главе описывается новый класс сред динамической голографии -кристаллы фторида кадмия с бистабильными примесными центрами. Рассматривается процедура перевода кристалла фторида кадмия с трехвалентными примесями в полупроводниковое состояние, обеспечивающая формирование бистабильных (DX) центров - аддитивное окрашивание. Обсуждаются свойства этих центров в кристаллах CdF2:In, CdF2:Ga, CdF2:Ga,Y, электронная и геометрическая структура центров, термо- и фотопревращения их состояний. Рассмотрен механизм фотохромии исследуемых кристаллов. Приводятся экспериментальные данные по изменению их оптических свойств при фотовозбуждении кристаллов. Показано, что фотохромия кристаллов CdF2 с бистабильными центрами создает принципиальную возможность записи обратимых фазовых и амплитудно-фазовых голограмм в области спектральной щели между полосами поглощения основного и метастабильного состояний DX-центра. Голограммы в кристаллах с такими центрами носят динамический характер вследствие наличия потенциального барьера, разделяющего состояния центра, а распад голограммы происходит по бимолекулярному закону.
Экспериментально определены температурные зависимости времени отклика и дифракционной эффективности для кристаллов CdF2:Ga, CdF2;Ga,Y, CdF2:In. Приведенные данные позволяют оценить быстродействие сред на основе кристаллов Cdp2j в частности, для кристалла CdF2:In оно лежит в области 10 МГц (при комнатной температуре). Полученные результаты дают возможность выбрать оптимальную толщину кристалла и оптимальные условия записи/считывания динамических голограмм для решения конкретных задач.
В заключительной части главы приводятся экспериментальные данные по диапазону пространственных частот записанных на рассматриваемых средах голограмм (80 + 5000 мм"1). В совокупности со значением светочувствительности этих кристаллов (0,3 - 0,5 Дж/см2 для достижения относительной дифракционной эффективности примерно 100 % при температурах, при которых не происходит распада мелких центров), это свидетельствует о перспективности использования данных сред для решения широкого круга задач динамической голографии.
В третьей главе рассматривается запись информационных транспарантов в кристалле CdF2:In и реализация на основе этого кристалла динамического голографического коррелятора. В первой части главы приводятся краткие сведения о технических достижениях в области создания элементов корреляторов (информационные транспаранты, системы регистрации) и факторах, ограничивающих быстродействие последних. Приведены основные требования к голографическим средам, которые могут применяться в качестве пространственных фильтров динамических оптических корреляторов.
Во второй части главы описываются оптические схемы, используемые для записи информационных транспарантов и реализации коррелятора Ван дер Люгта. Продемонстрирована запись и восстановление голограмм бинарных транспарантов при работе в зеленом и красном диапазонах спектра в квазистатическом и динамическом режимах. В схеме коррелятора Ван дер Люгта при использовании излучения импульсного Nd:YAG лазера проведено успешное опознавание записанного в кристалле образа и проанализированы возможные источники ошибок при его опознавании.
В четвертой главе представлены результаты экспериментов по динамической коррекции искажений волнового фронта и качества изображений с помощью голограмм, записываемых во фториде кадмия. В первой части главы проведено исследование объемных динамических голограмм, записанных встречными пучками аргонового лазера в кристалле СсШг с бистабильными центрами Ga. В ходе работы был осуществлен демонстрационный эксперимент по компенсации модельных динамических искажений волнового фронта при помощи голографического корректора на основе таких голограмм.
Во второй части главы исследована возможность использования кристалла CdF2:In в задачах коррекции модельных фазовых искажений волнового фронта. Приведено описание схемы эксперимента по коррекции искажений изображений с помощью обращения волнового фронта (ОВФ) в этом кристалле при использовании импульсного рубинового лазера. Проведенные эксперименты демонстрируют принципиальную возможность использования кристаллов Cd?2 с бистабильными центрами для коррекции динамических искажений изображений или корректировки возмущений волнового фронта импульсных или частотно-импульсных лазеров.
На защиту выносятся следующие основные положения диссертационной работы: 1. Фотоиндуцированное изменение спектра поглощения кристаллов CdF2 с бистабильными центрами обеспечивает запись в них фазовых голограмм в области спектральной щели между полосами поглощения, соответствующими двум состояниям центра. 2. Наличие потенциального барьера между двумя состояниями бистабильного центра в кристаллах CdF2:Ga, CdF2:In позволяет использовать их как среды голографии в реальном времени, при этом время формирования голограммы определяется плотностью мощности лазерного импульса, а время ее распада - температурой кристалла. 3. Спектр пространственных частот интерференционной картины, записываемой в кристаллах CdF2 с бистабильными центрами, показывает возможность создания на основе этих кристаллов широкополосных фильтров пространственных частот. 4. На основе кристалла CdF2:In может быть разработан быстродействующий оптический коррелятор. 5. Кристаллы CdF2 с бистабильными центрами могут быть использованы для динамической голографической коррекции качества волновых фронтов и изображений.
Механизмы записи и распада голографических решеток в кристаллах СсШг с бистабильными центрами
Пространственная оптическая фильтрация позволяет осуществлять определенные виды обработки сигналов, в частности распознавание образов. В основном рассматриваются две задачи распознавания: распознавание сигнала в серии последовательно поступающих сигналов и идентификация сигнала среди других сигналов (шума), одновременно поступающих на вход системы.
В обеих задачах основной проблемой является выбор пространственного фильтра. Так же как и в случае радиолокационной обработки временных сигналов, предполагается, что оптимальным фильтром для распознавания сигнала s(x) является фильтр H{F), комплексно сопряженный Фурье-образу сигнала: H{F)=S\F), где S{F) - Фурье-образ сигнала s{x). В этом случае при сходстве поступающего и распознаваемого сигналов корреляционной функции и функции свертки соответствуют яркие локализованные максимумы интенсивности излучения.
При реализации фильтра оптическими методами произведение S{F)H{F) = S(F)S (F) = \S(F)\2 является действительной величиной, поэтому фаза восстановленной волны определяется фазой референтной волны [25, 26].
Пространственный голографический фильтр, в котором записано интерференционное поле двух пучков, являющихся Фурье-образами опорного и предметного транспарантов является ключевым элементом оптического коррелятора -устройства, которое осуществляет функцию корреляции оптического изображения путем пространственной фильтрации Фурье-образа предметного сигнала. Если фаза восстанавливающей волны совпадает с фазой опорного сигнала, то восстановленный сигнал воспроизведет фазу предметной волны.
Основным преимуществом голографического оптического коррелятора (ГОК) является скорость его работы - она примерно на 3 порядка выше, чем у цифровых корреляторов, поскольку ГОК осуществляет параллельную обработку сигналов. Однако производительность ГОК ограничена количеством изображений, которые могут опрашиваться единовременно. Максимальное количество изображений, которые могут быть записаны на данном участке среды с помощью углового мультиплексирования, не превышает нескольких тысяч. Количество записанных изображений можно увеличить с помощью пространственного мультиплексирования, когда отдельные серии изображений записываются на разные участки среды. При использовании голографи ческой среды с достаточно большой площадью можно записать порядка тысячи различных серий изображений. Недостаток этого метода состоит в том, что для получения доступа к каждому участку среды, ее надо смещать по двум координатам, что замедляет эффективную скорость корреляции. Для того чтобы избежать этого усложнения предлагается, в частности, применять к изображению одновременно угловое и пространственное мультиплексирование, разбивая каждое подаваемое на коррелятор изображение на несколько копий, и записывая каждую копию на различные участки голографической среды. Поскольку при опознании опрашиваются все участки среды, время поиска искомого изображения в такой конфигурации коррелятора равно времени, которое затрачивается в традиционной схеме оптического коррелятора без двойного мультиплексирования на опрос лишь одного участка среды [27].
Голографические корреляторы могут быть использованы для решения широкого круга задач: распознавания образов и объектов (в том числе контроля отпечатков пальцев, человеческих лиц, поиска материалов в базе данных и т.п.) [28, 29, 30,], контроля интегральных изменений параметров трехмерных сред [31], компьютерного машинного зрения [32, 33, 34, 35], автоматического контроля деталей точного приборостроения [36], контроля печатных плат по признакам внешнего вида [37], реализации искусственных нейронных сетей [38, 39,40].
Существуют две основные схемы реализации голографических оптических корреляторов: коррелятор Ван дер Люгта и коррелятор совместного Фурье-преобразования (СФП),
Основное отличие двух типов корреляторов можно пояснить, используя рис. 1.8, на котором изображена так называемая 4-/схема Фурье-голографии. В корреляторе Ван дер Люгта на вход системы подается предметная эталонная волна ImA и опорная волна ImB (как правило, опорная волна образована точечным источником света). В плоскости Н расположена голографическая среда, в которой записывается картина интерференции предметной и опорной волн. Затем на место эталонной волны помещают опознаваемый транспарант Imc, и такая объектная волна освещает голографическую среду. В результате, в Фурье-плоскости линзы L.2 в +1 порядке дифракции возникает сигнал корреляции эталонной и объектной волн (Imc Іпи). В СФП-корреляторе на входную плоскость совместно подаются два изображения, корреляция между которыми должна быть установлена. Таким образом, в голографической среде записывается интерферограмма спектров обоих изображений. При ее считывании плоской волной Imc в Фурье-плоскости линзы L2 в +1 и -1 порядках дифракции возникают сигналы взаимной корреляции изображений - (ImB ImA) и (Ітд 1тв). Понятия предметной и опорной волны в данном случае физического смысла не имеют.
Средством для ввода изображения в коррелятор (формирователем изображения), как правило, является пространственный модулятор света (ПМС), например жидкокристаллический [42]. Используются также бинарные и полутоновые плоские транспаранты. В том случае, если в качестве опознаваемого объекта используются трехмерные фигуры, сигнальный луч не просвечивает транспарант, а отражается от него. Отраженный пучок далее проецируется через систему лииз на регистрирующую среду [32, 43,44,45].
Регистрация сигналов корреляции осуществляется, как правило, с помощью ПЗС-матриц (CCD-камеры).
В последнее время в задачах обработки оптической информации используется, как правило, СФП-коррелятор. Он демонстрирует более высокую устойчивость по отношению к вибрации и несоосности по сравнению с коррелятором Ван дер Люгта, у него больше коэффициент модуляции (контраст интерферограммы), его более удобно применять в реальном масштабе времени, поскольку он обеспечивает возможность оперативного перестроения с одного признака сравнения на другой. СФП-коррелятор выполняет операцию опознавания за один шаг - не требуется, как в корреляторе Ван дер Люгта, заранее записывать голографический фильтр, используемый в дальнейшем для опознавания. Однако он менее эффективен при распознавании сложных (составных) объектов или объектов, окруженных интенсивным фоновым шумом [46].
Коррелятор Ван дер Люгта, при всех его недостатках по сравнению с СФП-коррелятором, также можно успешно использовать в задачах в реальном масштабе времени, если использовать в качестве фильтра динамическую среду с малым временем отклика. Кроме того, применение коррелятора Ван дер Люгта совместно с кодирующими фазовыми масками делает его сравнимым по эффективности опознавания и удобству работы с коррелятором СФП [47].
Некоторые проблемы, возникающие при реализации голографических корреляторов
Кристаллы фторида кадмия, CdF2, имеют структуру флюорита (пространственная группа 0\{Fmhrri)), которую можно представить как последовательность кубов, в вершинах которых расположены ионы фтора, половина центральных позиций которых занята катионами, а вторая половина пуста (междоузельные позиции) (рис. 2.1).
Обычным методом для выращивания монокристаллов СаТг является метод Бриджмена-Стокбаргера, в котором тигель с расплавом протягивается сверху вниз через градиентную зону нагревателя. Тигель, нагреватель и система экранов помещаются в изолированную от внешней среды стальную камеру - вакуумированную или заполненную инертным газом. Исходный материал для выращивания подвергается предварительной плавке, целью которой является его очистка и уплотнение. Полученный поликристаллический расплав служит основой для выращивания монокристалла. Как правило, активаторные примеси вносятся в материал для выращивания в виде фторидов. Исключение составляют активаторы с высокой летучестью их фторидных соединений, в частности, галлий. Последний вводится в исходный материал в виде арсенида. Фторид кадмия является широкозонным диэлектриком с преимущественно ионным характером связи, ширина его запрещенной зоны составляет 7,8 эВ (рис. 2.2).
Легирование CdF2 донорными примесями, к числу которых принадлежит большинство элементов 3-ей группы периодической системы (рис. 2.3), и последующая прокалка в атмосфере паров кадмия или водороде (так называемое аддитивное окрашивание кристаллов) переводит кристаллы в полупроводниковое состояние [90, 91, 92]. Аддитивное окрашивание производится в открытой или отпаянной ампуле, или в специальной установке, позволяющей независимое регулирование температуры образца и давления пара металла (тепловая труба [93]). В ходе этой процедуры происходит замена междоузельных ионов фтора F", компенсирующих избыточный +1 заряд остова примеси, на электроны, которые локализуются в зоне проводимости или на центрированных на примесях водородоподобных орбиталях, Боровский радиус этих орбиталей по различным оценкам составляет 4 + 16 А (см., например, ссылки 5-9 в [94], их энергия связи равна 0,1 eV [95, 96]. Таким образом, в отличие от ковалентньгх или ионно-ковалентных кристаллов, для которых введенная в кристалл донориая примесь автоматически привносит с собой электрон, для легированного ионного кристалла CdF2 его переход в полупроводниковое состояние требует проведения дополнительной процедуры -аддитивного окрашивания. Следует отметить, что при аддитивном окрашивании CdF2 не все междоузельные ионы фтора покидают кристалл. Остающиеся междоузельные ионы F" выполняют в этом преимущественно ионном кристалле роль акцепторов. По аналогии с традиционными полупроводниками, для фторида кадмия можно ввести понятие степени компенсации, К. Тогда концентрация электронов, %, введенных в кристалл в ходе процедуры аддитивного окрашивания определяется соотношением aгде Nz - полная концентрация активаториых примесей в кристалле, а ЛУ - концентрация междоузельных ионов F . Поэтому концентрация введенных в кристалл электронов, т.е. концентрация электрически и оптически активных примесей, меньше суммарной концентрации примесей, содержащихся в кристалле.
С фотоиндуцированным переходом электрона с водородоподобной донорной орбитали в зону проводимости связана интенсивная инфракрасная (ИК) полоса поглощения (рис. 2.4) с максимумом при 7 цт; ее длинноволновый «хвост» проникает в видимую область спектра и придает полупроводниковым кристаллам CdF2 с трехвалентными примесями голубоватый оттенок. Спектральное положение этой полосы поглощения слабо зависит от химической природы донорной примеси. Фторид кадмия -монополяриый полупроводник я-типа. Дырочная проводимость CdF2 неизвестна.
Динамический голографический корректор волнового фронта на основе кристалла CdF2:In
В этом и следующем разделах представлены результаты экспериментального изучения времени распада и дифракционной эффективности голограмм в кристаллах фторида кадмия с бистабильными примесями. Исследования проводились на кристаллах CdF2:Ga,Y (см. заключительный абзац раздела 2.1.2) и CdF2:In (см. след, раздел) [111]. Нарис, 2.13 показано ИК поглощение на длине волны 1,3 мкм кристалла CdF2:Ga,Y толщиной 2 мм с концентрацией активных центров Ga 1,7x10 см" и концентрацией Y ЗхЮ18 см"3 в диапазоне температур (193 + 344) К в темноте и при освещении аргоновым лазером (X = 488 им, плотность мощности 1.46 Вт/см ) до достижения насыщения. «Темновое» поглощение пропорционально равновесной концентрации мелких центров. При Т 300 К это поглощение мало и слабо зависит от Т. Его увеличение при дальнейшем росте температуры отражает термическое заселение мелких донорных уровней. Показанная точками зависимость, построенная с помощью теоретических кривых, показанных на рис. 2.9, хорошо описывает экспериментальные данные. Это позволяет экстраполировать эту зависимость на более высокие (до 400 К) температуры.
Светоиндуцированное поглощение при Т = 193 К соответствует полному превращению глубоких центров в мелкие, поскольку при этой температуре терморазрушение мелких центров практически отсутствует. Изучение зависимости этого поглощения от Бремени освещения показало, что 46 % преобразование центров происходит при экспозиции 0,45 Дж/см . С учетом вдвое большей концентрации энергии в пучностях дифракционной картины эта энергия обеспечивает 92 % ДЭ решетки, записанной в кристалле указанным лазером, и согласуется по порядку величины с экспозицией 0,3 Дж/см , найденной ранее для кристалла CdF iGa [109] с содержанием Ga в 2,4 раза меньшим, нежели в исследованном образце.
Рис. 2.13 показывает, что начиная примерно с 250 К полное превращение глубоких центров в мелкие при данной плотности мощности невозможно вследствие терморазрушения мелких центров (однако оно может быть достигнуто при увеличении таковой), и это обстоятельство является причиной уменьшения «световой» равновесной заселенности этих центров в диапазоне (250 - 320) К. Дальнейший рост Т приводит к возрастанию этой величины из-за роста равновесной концентрации мелких центров.
Для определения времени затухания фотоиндуцированного поглощения мелких центров изучалось уменьшение во времени: (1) возбуждаемого видимым излучением йодной лампы ИК поглощения на длине волны 1,3 мкм; это излучение прерывалось механическим обтюратором и (2) корня квадратного из дифракционной эффективности голограммы, записываемой импульсами второй гармоники неодимового лазера (X = 532 нм, длительность импульса 20 ис, плотность энергии на образце 4 Дж/см2) и считываемой непрерывным гелий-неоновым лазером. В обоих случаях длительность светового импульса (йодной лампы или неодимового лазера) была много меньше времени распада фотоиндуцированного мелкого состояния, а энергия источника излучения за время импульса была достаточна для полного превращения мелких центров в глубокие в объеме изучаемого образца.
На рис. 2.14 показана зависимость времени затухания фотовозбужденного состояния в кристалле CdF2:Ga,Y от температуры в диапазоне (293 - 344) К (і). По оси ординат отложено время десятикратного уменьшения поглощения от максимального значения, достижимого при данной температуре под воздействием данного лазера, и стократного уменьшения относительной дифракционной эффективности, соответствующего десятикратному уменьшению концентрации индуцированных светом мелких центров.
Рассмотрим теперь температурную зависимость ДЭ (іі). Правая шкала ординат на рис. 2.1.4 показывает стационарную относительную ДЭ (г[), которая достигается при данной температуре и данной плотности мощности и соответствует стационарному значению 6я(Т). Для нахождения зависимости г)(Т) воспользуемся рис. 2.13. Фотоиндуцированное изменение поглощения при 193 К характеризует максимально возможное изменение показателя преломления данного кристалла, которое составляет для него 2,8-Ю"4 (для X - 514 им). С учетом (2.5) нетрудно найти, что для низкочастотной решетки (cos 9 « 1) максимальное значения ДЭ 100 % (на самом деле - 92 %; при экспозиции, обеспечивающей большие значения г\ имеет место «замывание» голограммы - см. [109]) может быть достигнуто для кристалла с d 2 мм. Знание максимального фотоиндуцированного изменения ИК поглощения (при 193 К) позволяет перевести это изменение при любой Т в Ьп и, с использованием (2,5). в г. Подобным образом построенная зависимость т)(Т) представлена на рис. 2,14. Экспозиция, необходимая для записи максимально «сильной» (при данной Т) решетки, не зависит от Т, Действительно, поглощение на длине волны записи/считывания уменьшается с температурой из-за терморазрушения глубоких центров. Можно показать, что в том случае, когда кристалл достаточно прозрачен на этой длине волны (что соответствует экспериментальной ситуации), энергия, поглощенная в кристалле, будет линейно зависеть от равновесной концентрации глубоких центров, а экспозиция не будет зависеть от Т.
Представленная на рис, 2.14 теоретическая температурная зависимость дифракционной эффективности определена на основе данных, показанных на рис. 2.13, с учетом того обстоятельства, что на нижней границе изучаемого температурного диапазона ДЭ имеет значение, близкое к максимально возможному (92 %). Подчеркнем еще раз, что во всем диапазоне температур имеет место полное преобразование мелких центров в глубокие в пучностях интерференционной картины за время действия лазерного импульса (- 20 не). Экспериментально определенное значение ДЭ 20 % (при Т = 390 К) находится в разумном согласии с теоретической зависимостью.
Таким образом, рис. 2.14 иллюстрирует голографические параметры кристалла CdF2:Ga,Y толщиной d = 2 мм при записи голограмм лазером X = 514 нм с плотностью энергии на образце 0,5 Дж/см2, достижимой за время короче времени спада ДЭ до 1 % от максимального значения. С учетом формулы (2.5) и квадратичной зависимости ]5я Я , этих данных достаточно для того, чтобы выбрать оптимальную толщину кристалла и оптимальные условия записи/считывания динамических голограмм для решения конкретных задач.
