Введение к работе
Актуальность темы
Одним из актуальных направлений в интегральной оптике является создание волноводных структур, элементов и устройств на основе оксидных стекол. Перспективность этого направления определяется такими качествами оксидных стекол как высокая однородность, малые потери, стабильность и воспроизводимость характеристик, низкая стоимость, простая технология синтеза стекол и волноводов на их основе, возмокность создания волноводных структур в широком оптическом и спектральном диапазоне. Важным достоинством оксидных стекол является также бесконечное разнообразие сочетаний волноводных параметров, достигаемое путем изменения химического состава и структуры стекла. Кроме того, оксидные стекла (лазерные, фогохромные, магнитооптические и т.д.) могут выполнять активные функции со световыми потоками.
Одним из простых и распространенных методов создания волноводов на стеклах является низкотемпературный ионный обмен, который позволяет сохранять высокое оптическое качество поверхности стекла и получать волновода с рекордно низкими потерями. Для создания волноводных структур, элементов и устройств методом ионного обмена в качестве стекол-подложек чаще всего используются промышленные оптические стекла, входящие в коммерческие каталоги, или технические стекла. Следует отметить, что из всего большого ассортимента стекол оптических каталогов (каталог фирмы SCHOTT насчитывает 238 марок оптических бесцветных стекол, 0HARA - 250, H0YA - 205, CORNING -79, ГОИ им. С.И.Вавилова - 120) только единицы используются для создания ионообменных волноводов (ВК7, Corning 0211, К8). При этом сарактеристики даже у этой немногочисленной группы стекол далеко не этвечают требованиям интегральной оптики. Использование традиционных промышленных оптических и технических стекол ограничивает диапазон зарьирования оптических свойств волноводов и области их применения, юскольку эти материалы создавались для задач, не относящихся к штегральной оптики и, тем более, ионообменной технологии.
Таким образом, по аналогии с волоконной оптикой, для создания нэлноводов с нужными параметрами необходима специальная разработка ювых стекол с разнообразными стеклообразущими матрицами, которые югут обеспечить необходимые характеристики при оптимальной ехнологии. Анализ публикаций у нас в стране и за рубежом указывает на ітсутствие такой идеологии. Для решения этих проблем требуется
проведение комплексных материаловедческих исследований, включающих изучение природа формирования волноводов на стеклах, создание новых технологий получения волноводов и методов диагностики, изучения физико-химических свойств волноводов и фотофизических процессов в них, исследование воздействия на волноводные структуры различных внешних факторов. Однако на сегодняшний день эти вопросы пока не решены. Таким образом, создание нового направления, связанного с оптическим материаловедением волноводов на стеклах, является актуальной и перспективной научной проблемой.
Цель и задачи работа
Целью работы явилось создание нового перспективного направления, связанного с разработкой физических основ формирования оптических градиентных волноводов на оксидных стеклах и изучением в них фотоиндуцированных процессов.
Основные задача работы:
Изучение механизмов и создание физических моделей формирования показателя преломления планарных волноводов на стеклах, стеклокристаллических и поликристаллических материалах при низкотемпературном ионном обмене.
Исследование физико-химических свойств планарных ионообменных волноводов на оксидных стеклах, стеклокристаллических и поликристаллических материалах.
Разработка новых методов формирования оптических волноводных структур на стеклах и новых методов их диагностики.
Изучение фотоиндуцированных процессов в волноводных структурах Ї объеме стекол, создание физических моделей и использование их для оптической записи информации и голограмм.
Разработка новых ионообменных стекол для оптических волноводов.
- Разработка новых оптических волноводных элементов на основе
фоточувствительных стекол и керамик, а также технологий из
получения.
Научная новизна
Выполненная работа является одним из первых комплексны: исследований по изучению физико-химических свойств волноводны: структур на основе стеклообразных материалов, созданию физически: моделей формирования показателя преломления волноводов щи
низкотемпературном ионном обмене, изучению фотоиндуцированных процессов в волноводах и использованию их для оптической записи информации, разработке идеологии создания новых ионообменных горедащих и активных стекол для интегральной оптики и созданию на базе втих представлений новых оптических волноводных влементов. В ходе исследований большинство результатов получено впервые:
-
Изучен механизм формирования показателя преломления в силикатных, фосфатных, и германатных стеклах, ситаллах, а также галогенсодалитовых керамиках при низкотемпературном обмене щелочных катионов. Создана физическая модель изменения объема стекла при низкотемпературном ионном обмене. Создана физическая модель формирования показателя преломления волноводов при низкотемпературном ионном обмене, учитывающая как изменение состава и структуры стекла, так и возникающие в процессе обмена диффузионные напряжения.
-
Обнаружено и исследовано влияние низкотемпературного ионного обмена на физико-химические свойства поверхности стекла и волноеодов: оптическую однородность, микротвердость, термостойкость, оптическую прочность, люминесценцию, фото- и термостимулированную 8Кзоэлектронную эмиссию, фоточувствительность, скорость распространения ультразвуковых волн, изменение валентного и координационного состояния примесных ионов.
-
Обнаружены и исследованы новые эффекты в ионообменных волноводах: пьезодихронзм, градиент фоточувствительности, ориентация микрокристаллов в поле диффузионных напряжений.
1. Исследованы активные характеристики волноводов:
- получено усиление на длине волны 1.06 мкм в пленарных волноводах
на лазерных силикатных стеклах, активированных неодимом;
- реализован эффект фотоиндуцированного изменения поглощения в
волноводах на основе гомогенных и гетерогенных фотохромних стекол и
галогенсодалитовых фотохромних керамик;
- реализован эффект вращения плоскости поляризации (эффект Фарадея)
в ионообменных волноводах на основе магнитооптических стекол.
. Обнаружены и исследованы новые явления взаимодействия излучения со стеклом:
изменение оъема стекла и возникновение механических напряжений при генерации радиационных дефектов;
нелинейное окрашивание фотохромних стекол под действием излучения длинноволнового видимого и ближнего ИК диапазонов. Предложена
физическая модель этого явления, состоящая в двух- и трехфотонном кооперативном размножении центров окраски.
- фототерморефрактивный эффект в силикатных стеклах (изменение
показателя преломления в результате фототермовдцуцируемой
кристаллизации стекла). На основе этого аффекта показана
возможность записи объемных фазовых голограмм в стекле.
-
Исследована фотоиндуцированная генерация второй гармоники в объеме свинцово-силикатных и свинцово-германатных стекол. Изучено влияние состава стекла на эффективность генерации второй гармоники.
-
Обнаружена интерференция волноводных мод одинаковой поляризации в ионообменных волноводах на стеклах с малым уровнем рассеяния. На основе этого эффекта впервые показана возможность записи волноводных голограмм - запись межмодовой интерференции в одном лазерном пучке.
Практическая значимость работы
Практическая значимость работы определяется как рядом разработанных новых ионообменных стекол, методов формирования волноводов и оптических элементов, методов их диагностики, так и формулированием новых направлений в технологии создания элементов интегральной оптики и оптоэлектороники. К основным практическим результатам относятся:
-
Сформулирован новый подход к формированию волноводных структур не основе стекол, стеклокристаллических (ситаллы) і поликристаллических (галогенсодалитовые керамики) материалов be счет напряжений, возникавших при низкотемпературном ионном обмене. Сформулированы требования, предъявляемые к ионообменным стеклам да; интегральной оптики. На базе этих представлений впервые в мирово! практике разработан новый класо оптических материалов "ионообменные стекла для интегральной оптики", обеспечивавди! широкий спектр функциональных возможностей волноводов.
-
Разработана ионообменная технология и созданы градиентные волновод на основе бесцветных стекол:
силикатных (боросиликатных, кальциевосиликатных, цинково силикатных, лантаносиликатных, свинцовосиликатных, титано силикатных, цирконосиликатных, цирконониобиевосшшкатных, цирково германиевосиликатных, ниобиевогерманосиликатных);
- фосфатных (алшосиликофосфатных, алгаюниобиевофосфатных, алто
цирконосиликофосфатных, алгаогерманофоофатных, алшоцинково
фосфатных, галловольфрамофосфатных, галлоцинковофосфатных, магниевофосфатных, ниобиевофосфатных, ниобиевовольфрамофосфатных, ниобиевогаллофосфатных, ниобиевогаллогерманофосфатных); - гэрманатных (титаногерманатных, алюмогерманатных).
3. Разработана ионообменная технология и созданы градиентные волноводы
на основе активных стекол: лазерных, фотохромних, мультихромных,
электрохромных, магнитооптических, стекол, легированных
полупроводниковыми микрокристаллами (CdS, CdSjSe^j, CdSe). Созданы
градиентные волновода на основе фотохромних керамик. Формирование
волноводов на активных стеклах изменило идеологию в интегральной
оптике, рассматривающую первоначально стекла только, как передающие
оптические материалы.
4. Разработаны новые методы формирования волноводных структур:
газотермический метод обработки поверхности и радиационно-
стимулированный ионный обмен. Метод газотермической обработки
позволяет формировать волноводныэ структуры на бесщелочных стеклах,
а также стеклах практически непригодных для ионного обмена.
-
Разработан новый рефрактометрический метод измерения показателя преломления оптических материалов на основе резонансной спектроскопии волноводных мод.
-
Предложен метод контроля оптической однородности волноводов на основе интерференции волноводных мод.
-
Сформулирован новый подход к созданию пространственных и поляризационных селекторов волноводных мод за счет образования радиационных дефектов в стеклах и керамиках. Созданы пространственные и поляризационные волноводныэ селекторы. Эти устройства позволяют проводить селекцию мод с любыми номерами, поляризациями или их комбинациями, а также могут многократно перестраиваться.
-
Разработаны основы ионообменной технологии повышения порогов оптического пробоя поверхности стекла, термостойкости и микротвердости, предельной мощности накачки лазерных элементов.
-
Разработан новый подход к формированию рельефных периодических дифракционных структур и оптических элементов с поверхностями второго порядка за счет изменения объема стекла в результате ионного обмена и (или) фототермоиндуцированной кристаллизации.
10. Разработан новый подход к записи объемных фазовых голограмм в
стеклах за счет изменения показателя преломления в результате
фототермоиндуцированной кристаллизации стекла. В объеме
фототерморефрактивных стекол записаны высокоэффективные голограммы с пространственными частотами 100-3000 мм и высокой угловой селекцией (единицы угловых минут).
11. Показана возможность использования фототермоиндуцированной
кристаллизации стекла для создания оптических градиентных
элементов.
12. Создана база данных на ГОШ и каталог "Стеклообразные материалы
для интегральной оптики". База данных и каталог являются первыми в
мировой практике обобщением и систематизацией составов и
физико-химических свойств передающих и активных ионообменных
стекол, технологий получения волноводных структур,
физико-химических характеристик волноводов, включая активные. База
данных и каталог представляют собой справочно-информационный
материал для инженеров и конструкторов интегрально-оптических
элементов, устройств, схем.
На защиту выносятся:
1. Разработанная физическая модель формирования показателя преломления
волноводных структур при низкотемпературном обмене щелочных
катионов в силикатных, фосфатных и германатных стеклах, ситаллах и
галогенсодалитовых оптических керамиках, учитывающая как изменение
состава и структуры стеклообразных материалов, так и действие
диффузионных напряжений.
-
Результаты комплексных исследований влияния ионного обмена на акустические, эмиссионные, фотохимические и люминесцентные свойства стекла, оптическую прочность, микротвердость, термостойкость и оптическое качество поверхности стекла. Разработка ионообменных методов повышения микротвердости, термостойкости и оптической прочности поверхности стекла.
-
Разработка новых методов формирования волноводных структур и оптических элементов на стеклах, а также методов диагностики:
газотермический метод формирования волноводных структур на стеклах, заключающийся в увеличении показателя преломления поверхности стекла за счет внедрения азота в стекло;
метод создания пространственных и поляризационных селекторов волноводных. мод за счет образования радиационных дефектов в стеклообразных материалах;
- метод создания рельефных периодических дифракционных структур за
счет изменения объема стекла при ионном обмене и (или)
фототермоиндуцированной кристаллизации;
рефрактометрический метод измерения показателя преломления оптических материалов на основе резонасной спектроскопии волноводных мод;
метод контроля оптической однородности волноводов на основе интерференции волноводных мод.
4. Обнаруженные новые фотофизические явления в объеме стекол и
волноводах и результаты их исследований:
- изменение объема стекла и возникновение механических напряжений
при генерации радиационных дефектов;
- нелинейное окрашивание фотохромних стекол и волноводов под
действием излучения длинноволнового видимого и ближнего ИК
диапазонов. Разработанная физическая модель этого явления,
заключающаяся в "кооперативном размножении центров окраски" и
представляющая собой процесс "цепной реакции", где
сенсибилизаторами выступают продукты первоначальной фотохимической
реакции - центры окраски, инициируемые предварительным УФ
излучением;
интерференция волноводных мод одинаковой поляризации в градиентных пленарных волноводах на стеклах с малым уровнем рассеяния. Предложенный метод записи волноводных голограмм на основе этого эффекта;
- фототерморефрактивннй эффект - изменение показателя преломления
при фототермоиндуцированной кристаллизации стекла. Разработка
физических основ записи объемных фазовых голограмм в стекле за счет
этого эффекта.
5. Разработка нового класса оптических материалов - "ионообменные
стекла для интегральной оптики" и создание на их основе градиентных
оптических волноводов.
Таким образом в настоящей работе сформулировано и развито новое гаучное направление - оптическое материаловедение пленарных традкентных волноводов на оксидных стеклах. Существенной особенностью этого направления является взаимосвязанный переход от новых явлений и [изических моделей к новым материалам, технологиям и оптическим >лементам. Это подразумевает установление механизмов формирования юлноводных структур при низкотемпературном ионном обмене, изучение ювых явлений при взаимодействии оптического излучения со стеклом, юследование и сопоставление оптических, физико-химических свойств и
активных характеристик в объеме стекол и волноводах, формулирование на базе этих представлений требовавши к стеклам для интегральной оптики. Эти исследования явились фундаментом для создания нового класса оптических материалов - "ионообменные стекла для интегральной оптики", разработки новых технологий формирования и методов исследования волноводных структур, создания принципиально новых элементов интегральной оптики.
Личный вклад автора ,
Все вошедшие оригинальные результаты получены либо самим автором, либо при его непосредственном участии.
Апробация работа
Основные результаты диссертационной работы докладывались на Международных, Всесоюзных и региональных конгрессах, конференциях, совещаниях, симпозиумах, семинарах, в том числе: V, VI, VII, VIII Всес. конф. по нерезонансному взаимодействию оптического излучения о веществом (Ленинград-1981, Паланга-1984, Ленинград-1988, 1990); III, IV, V, VI Всес. конф. "Оптика лазеров" (Ленинград-1982, 1984, 1986, 1990); Vllth, VHIth International Conferences "Laser Optics" (St.Petersburg-1993, 1995); V Bcec. совещании по радиационной физике и химии ионных кристаллов (Рига-1983); Всес. симпозиуме "Релаксационные явления в неорганических стеклах (Тбилиси-1984); Всес. семинаре "Интегральная оптика, физические основы, приловения" (Новосибирск-1984); VIII, IX Всес. Феофиловском симпозиуме по спектроскопии кристаллов, активированных ионами редкоземельных и переходных металлов (Свердловск-1985, Ленинград-1990); V, VI Всес. конф. по голографии (Рига-1985, Витебск-1990); II Всес. совещании-семинаре "Механизмы релаксационных процессов в стеклообразных системах" (Улан-Удэ-198Б); VI, VII Всес симпозиумах "Оптические и спектральные свойства стекол" (Рига-1986, Ленинград-1989); Всес. конф. "Физические процессы в светочувствительных системах на основе солей серебра" (Кемерово-1986); VIII, IX Всес. совещании по стеклообразному состоянию (Ленинград-1986, Санкт Петербург-1995); IX Всес. конф. по физической химии и электрохимии ионных расплавов и твердых электролитов (Свердловск-1987); III, IV Всес. конф. "Проблемы оптической памяти" (Ереван-1987, Телави-1990); I Всес. конф. по оптической обработке информации (Ленинград-1988); XTIIth, XTVth, XVth International
Conferences on Coherent and Nonlinear Optics (Mlnsk-1988, Leningrad-1991, St.Petersburg-1995); Всес. семинаре "Лазерная техника и технология" (Вильнюс-1988); V Всес. конф. "Бессеребряные и необычные фотографические процессы" (Суздаль-1986); VII Всес. совещании "Кристаллические оптические материалы" (Ленинград-1989); XVth, XVIth International Congress on GIbbs (Lenlngrad-1989, Madrid, Spain-1992); VII Всес. конф. по радиационной физике и химии неорганических материалов (Рига-1989); Всес. конф. "Строение, свойства и применение фосфатных, фторидних и халькогенидных стекол" (Рига-1990); Всес. семинаре "Фосфатные материалы" (Апатиты-1990); Всес. конф. "Оптическое изобракение и регистрирующие среды" (Ленинград-1990); Всес. семинаре "Вопросы прикладной голографии" (Тбилиси-1990); VIII Региональном семинаре "Оптические и оптоэлектронные методы и устройства обработки информации" (Краснодар-1990); I Региональной конф. республик Средней Азии и Казахстана "Радиационная физика твердого тела" (Самарканд-1991); XV Всес. конф. "Акустоэлектроника и физическая акустика твердого тела" (Ленинград-1991); I Всес. конф. по интегральной оптике (Укгород-1991); IVth European CongresB on Optics "GlasB for Optoelectronics", EC04 (The Hague, The Netherlands-1991); X Мекдународном симпозиуме по экзоэлектронной эмиссии (Свердловск-1992); Ilnd, Illth International Soviet Fiber Optics and Telecomniunications Conference, ISFOC-92, 93 (St.Petersburg- 1992, 1993); Vlth European Conference on Integrated Optics (Neuchatel, Switzerland-1993); International Conference on Holography, Correlation Optics, and Recording Materials (Chernivtsy, Ukralne-1993); Ilnd International Conference of the European Society of Glass Science and Technology (Venice, Italy-1993); IVth European East-West Conference on Materials and Process (St.Petersburg-1993); XXVth Annual Boulder Damage Symposium "Laser-Induced Damage in Optical Materials" (Boulder, Colorado, USA-1993); International Symposium "Nonconventional Optical Imaging Elements" (Rokosowo, Poland-1993); Международном симпозиуме "Прикладная Оптика-94", (Санкт-Петербург, 1994); International Symposium OE/LASE'94 (Los AngelOB, California, USA-1994); International Symposium on Optical Engineering in Aerospace Sensing (Orlando, Florida, USA-1994); International Symposium on Optics, Imaging, and Instrumentation (San Diego, California, USA-1994); Международной научно-практической конференции "Оптика. Стекло. Лазер-95" (Санкт-Петербург, 1995); International Symposium on Optoelectronic, Mlcrophotonic, and Laser Technologies, Photonics
West'95 (San Jose, California, DSA-1995); 97th. Annual Meeting of the American Ceramic Society (Cincinnati, Ohio, DSA-1995); international Conference on Lasers and Electro-Optics/Quantum Electronics and Laser Science Conference, CLEO/QELS'95 (Baltimore, Maryland, DSA-1995); International Conference "Gradient-Index Optics In Science and Engineering", GRIN'95 (Warsaw, Poland-1995); International Symposium "Glass & Optical Materials Division Pall Meeting" (New Orleans, Louisiana, USA-1995).
Публикации
Материалы диссертации опубликованы в 200 работах, в том числе: 105 статей в отечественных и зарубежных изданиях, 85 в трудах Международных и отечественных конгрессов, конференций, совещаний и симпозиумов, 9 авторских свидетельств и I патенте на изобретение.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, девяти глав, приложения, заключения, списка цитируемой литературы (290 наименований) и основных публикаций автора (ИЗ наименований), диссертация изложена на 372 страницах машинописного текота, содержит 169 рисунков и 27 таблиц.
