Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Исследуемые в рамках диссертационной работы кубические фоторефрактивные пьезокристаллы. являются перспективными регистрируюишми средами для реверсивной записи, считывания и оптической обработки информации благодаря сравнительно низкой стоимости, высокой светочувствительности, сравнимой с чувствительностью обычных голеграфических фотопластинок, и хорошему оптическому качеству. Использование этих кристаллов открывает новые возможности в обработке когерентных изображений, динамической голографии и интерферометрии.
На основе кубических фоторефрактивных пьезокристаллов разработаны элементы оптической памяти, что открывает перспективы создания нового поколения ЭВМ, пространственно-временные модуляторы света, которые могут быть использованы для ввода изображения в систему когерентной оптической обработки, а также оптические квантовые генераторы.
Исследования в области оптики фоторефрактивных кристаллов осуществляются ведущими учеными в Физико-техническом институте им. А.Ф.Иоффе РАН (Санкт-Петербург), Институте физики НАН Украины (Киев), Томском государственном университете систем управления и радиоэлеюроники, Новосибирском университете, Оксфордском университете (Великобритания), Оптическом институте (Франция), Стэнфордском, < Калифорнийском, Ллабамеком университетах (США), Йенском, j Оснабрюкском, Мюнстерском университетах (Германия), в Японии, Китае, Финляндии, Болгарин, Польше и во многих других странах. В Республике Беларусь некоторые вопросы физики фоторефрактивных кристаллов изучаются в БГУ, в Институте физики им. Б.И. Степанова НАН Беларуси н в Белорусской государственной политехнической академии.
Для улучшения параметров оптических приборов, созданных на базе кубических фоторефрактивных кристаллов, необходимо решить задачу оптимизации выходных характеристик голограмм, записанных в этих кристаллах. Петровым М.П., Степановым СИ. и другими (Россия) были предложены методики улучшения выходных характеристик голограмм в фоторефрактивных кристаллах, основанные на использовании бегущих голографичеекмх решеток в постоянном электрическом поле и применении переменного электрического поля. Однако в ряде практических приложений (интерферометрия,, выполнение арифметических и логических операций, коррекция профиля лазерных пучков и др.) фоторефрактивпые кристаллы могут быть использованы в диффузионном режиме с целью уменьшения искажений выходного сигнала. При этом, ввиду малости значений выходных энергетических характеристик голограмм, становится актуальной задача н>
оптимизации за счет выбора геометрии взаимодействия, поляризации световых волн и толщины кристалла.
Необходимость учета наряду с электрооптическим эффектом фотоупругих свойств среды и пьезоэлектрического эффекта в фоторефрактиБных кристаллах была впервые обоснована Шандаровым СМ. и др. (Томск, Россия). Вклад упругих деформаций в пространственную модуляцию тензора диэлектрической проницаемости кристалла предложено учитывать путем введения эффективного тензора электрооптических коэффициентов, что приводит к изменению компонент тензорной постоянной связи. В результате существенно меняются поляризационные и ориентационные зависимости энергетических характеристик голограмм, а также условия их оптимизации.
Коллективом лаборатории когереігпюй оптики и голографии Мозырского государственного педагогического института совместно с группой Шандарова СМ. заложены основы корректного описания влияния пьезоэлектрического эффекта на дифракцию света в кубических оптически активных фоторефрактивных кристаллах как в приближении заданной решетки, так и в динамическом режиме. Показано, что оптимизация выходных характеристик голограмм, записанных в кубических фоторефрактивных кристаллах, может быть проведена лишь с учетом совместного влияния на дифракцию гиротропнъгх и пьезоэлектрических свойств кристалла. Результаты этих разработок, которые используются также многими зарубежными авторами, позволили аналитически, определить условия оптимизации дифракционной эффективности и коэффициента усиления голограммы за счет выбора поляризации считывающего света. Впервые теоретически и экспериментально исследованы ориентационные зависимости дифракционной эффективности и энергообмена в кристалле BiijSiOzo.
В то же время оставались неисследованными возможности улучшения выходных характеристик голограмм путем выбора толщины кристалла и угла Брэгга. Не были определены условия увеличения эффективности дифракции и энергообмена световых волн для случая, когда оптимизация проводится одновременно по нескольким параметрам, например, по азимуту поляризации считывающего света, ориентационному утлу, толщине кристалла и углу Брэгга. Кроме того, не было изучено влияние динамического характера голографического процесса, естественной оптической активности кристалла и пьезоэлектрического эффекта на условия оптимизации выходных характеристик голограмм.
Таким образом, исследование условий оптимизации выходных характеристик голограмм, записанных в кубических фоторефрактивных
пьезокристаллах,' представляет интерес как с научней, так и с практической точек зрения, поскольку позволяет выяснять роль оптической активности, пьезоэлектрического эффекта и динамического характера голографического процесса в достижении максимальной эффективности дифракции и энергообмена световых волн, способствует постановке новых экспериментов, открывает перспективу расширения возможностей топографических устройств, созданных на базе кубических фоторефрактивных пьезокриеталлов.
Связь работы с крупными программами, темами. Исследования, результаты которых вошли в диссертацию, проводились в лаборатории когерентной оптики и голографии Мозырского государственного педагогического института в рамках НИР "Исследование и оптимизация процессов записи и обработки оптической информации в кубических фоторефрактивных кристаллах", включенной в план важнейших научно-исследовательских работ в области естественных, технических и общественных . наук по Республике Беларусь на 1996-2000 годы (государственная программа фундаментальных исследований «Квант», срок выполнения с 1.01.1996 г. по 31.12.2000 г.). Диссертационная работа связана также с темами: "Изучение особенностей дифракции света в кубических гиротропных фоторефрактивных поглощающих пьезокристаллах с учетом перераспределения энергии между световыми пучками в процессе записи голограмм" (грант Белорусского Республиканского Фонда Фундаментальных исследований среди молодых ученых № Ф97М-169, срок выполнения с 1.03.1998г. по 28.02.2О00г.) и. "Исследование и оптимизация процессов записи и обработки информации в кубических фоторефрактивных кристаллах" (Министерство образования Республики Беларусь, № ГР 19963366, срок выполнения с 3.01.1997г. по 31.12.1998г.)
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является определение условий увеличения эффективности дифракции и энергообмена световых волн при двухволновом взаимодействии в кубических фоторефрактивных пьезокристаллах среза (ПО) за счет выбора азимута поляризации световых волн, ориентации вектора топографической решетки, толщины кристалла и утла Брэгга.
Для достижения поставленной цели решены следующие взаимосвязанные задачи:
- исследование влияния естественной оптической активности кристалла и пьезоэлектрического эффекта на эффективность дифракции и энергообмек световых волк с точки зрепия оптимизации этих характеристик голограмм;
- нахождение оптимальных -значений азимута поляризации -считывающего
света, оркентаиионного угла, толщины кристалла и угла Брэгга для
эффективности дифракции и энерюоомена световых волн;
— исследование влияния. энергообмена световых волн в процессе записи
годографической решетки... на коэффициент модуляции топографической
решетки, дифракционную эффективность голограммы и .-относительную
интенсивность сигнальной световой волны.
Объект и предмет исследования. Объектам исследования являются кубические. фоторефракхиБные : льезокристаллы б процессе их взаимодействия с оптическим излучением. Предмет исследования - фазовые пропускающие голографи ческие решетки, возникающие в кубических фоторефрактивных пьезокристаллах в результате взаимодействия двух плоских монохроматических световых вопи, и Их выходные характеристики!
Методология и методы проведенного исследования. В диссертационной работе используется система уравнений связанных волн, описывающая процесс дифракции света в кубических фоторефрактивных кристаллах с учетом естественной оптической активности, фотоупругого и пьезоэлектрического эффектов. Её решение с использованием матричных методов в приближении заданной решетки, постоянных связи, малых по сравнению с удельным вращением кристалла., й малых углов Брэгга позволило- ішлучіггь. аналитические условия ^увеличения' эффективности дифракции н энергообмена световых волн за счет одновременной оіїлшішции их как по азимуту поляризации считывающего свега, так и но толщине кристалла....
Динамический характер голограмм учитывался при численном и аналитическом решениях системы уравнений связанных волн путем учета пошагового изменения видностй интерференционной картины, обуславливаемого перераспределением энергии световых волн на элементарных топографических решетках с постоянной видностыб.
Научная новизна и значимость полученных результатов. Научная іііїг.иднй и значимость полученных результат он заключаются в Юм, что: -впервые получены условия оптимизации эффективности дифракции и энергообмена при двухволновом взаимодействии в кубическом фоторефракгивном пьезокристалле среза (ПО) сразу по четырем параметрам: поляризационному и орненташювному углам, толщине кристалла я углу Брэгга. Для оптимизированных по поляризационному углу дифракционной эффективности голограммы и относительной интенсивности сигнальной световой волны впервые определены аналитические зависимости сг.гі:.".:;і,ті-;ісґ: толщины кристалла от ориеіггациоішого угла. Показано, что при определенных значениях ориентациониого утла толщины іфисталла,
5 оптимальные для дифракционной эффективности голограммы и относительной интенсивности сигнальной световой волны, будут совпадать. В пределах одного локального максимума определены наборы параметров: поляризационного и ориектацнсшюгс углов, толщины кристалла и утла Брэгга, - при которых энергообмен в кристалле BiizSiO^ будет максимальным. Найдены аналитические условия, определяющие ориентации топографической решетки и толщину кристалла, при которых дифракционная эффективность голограммы и относительная интенсивность сигнальной световой волны не зависят от азимута поляризации считывающего свела. Определены области значений азимутов поляризации считывающего света и ориентациониых углов, в которых оптическая активность кристалла увеличивает'эффективность дифракции и энергообмен;
- впервые исследовано совместное влияние пьезоэлектрического эффекта и
оптической активности кристалла на коэффициент модуляции
топографической решетки. Показано, что для кристаллов Bi^SiOio, Bi^GeO^;
и ВінТЮго наличие пьезоэлектрического эффект приводит- к более быстрому
изменению видности интерференционной картины по мере проникновения"
световых волк вглубь кристалла. Выяснено, что при определенных значениях
ориентационного и поляризационного углов наличие оптической активности
кубического фзторефрактивного пьезскристзлла приводит к' изменению
направления энергообмена световых волн;
- впервые исследовано влияние перераспределения энергии между
световыми волнами при записи голограммы в кубическом фоторефрактивно.ч
пьезокристалле на се дифракционную эффективность. В приближении
постоянных связи, малых по сравнению с удельным вращением кристалла,
малых углов Брэгга и неистощимой накачки впервые получено выражение
дифракционной эффективности голограммы для кристаллического среза
(110) при произвольной ориентации вектора голографмческой решетки.
Показано, что при малых постоянных связи и углах Брэгга пренебрежение
перераспределением энергии между волнами в процессе их взаимодействия с
записываемой решеткой приводит к существенным погрешностям при
определении значений днфракциошюй эффективности для кристалла
большой толщины, однако не влияет на значения ориентационного утла,
толщины кристалла и начальной поляризация считывающего света, при
которых дифракционная эффективность будет оптимизирована одновременно
по этим трек параметрам;
- впервые исследованы возможности улучшения выходных характеристик
голограмм за счет изменения утла Брэгга в комплексе с оптимизацией по
поляризационному углу. Обнаружено, что влияние азимута считывающего
света на видность интерференционной картины в кристаллах среза (110),
6 имеющих структуру силленита, при больших углах Брэгга приводит к смещению максимумов в зависимости гголяризациотиго оптимизированной относительной интенсивности предметной светозок волны от ориентационного утяа.
Практическая значимость полученных результатов. На основе полученных в диссертации результатов даются конкретные рекомендации по оптимизации условий эксперимента (геометрия взаимодеиствил, поляризация световых волн, толщина кристалла, утол Брэгга) для достижения максимальных значений энергетических характеристик оптических устройств, создаваемых на базе кубических фоторефрактивных пьезокристаллов. Кроме того, эти результаты позволяют подобрать кристаллы с такими значениями физических параметров (удельное вращение, электрооптический и фотоупругие коэффициенты, модули упругости и пьезоэлектрический коэффициент), которые являются наиболее подходящи?,? и для создания оптических приборов с заданными характеристиками. Результаты диссертационной работы могут быть использованы при исследовании динамических голограмм в Институте физики НАН Украины (г. Киев), Мюнстерском университете (Германия), Университете Йоенсуу (Финляндия), Алабамском университете (США), Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники (Россия), Институте прикладной оптики НАН Беларуси, Институте физики им. Б.И. Степанова НАН Беларуси.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту. . Зависимости оптимальных значений толщины кристалла со структурой силленита среза (110) от ориентационного уїла для поляризационно оптимизированных дифракционной эффективности голограммы и относительной интенсивности сигнальной световой волны представляют собой множество эквидистантных кривых, соответствующих различным локальным максимумам, причем расстояние между ними определяется удельным вращением кристалла,
-
Существуют области значений азимута считывающего света и ориентационного угла, для которых оптическая активность кубического фоторефрактлвного пьезокристалла обусловливает увеличение эффективности дифракции или энергообмена световых волн при двухволновом взаимодействии.
-
При определенных значениях поляризационного и ориентационного углов наличие оптической активности кубического фоторефрактивного пьезокристалла приводит к изменению направления энергообмена световых БОЛИ.
4. С увеличением угла.. Црэпга имеет место смещение максимумов в
зависимости . поляризационно оптимизированной относительной
интенсивности, предметной световой полны от ориентационного угла при
двухволновом взаимодействии в кубических фоторефрактивных
ньезокристаллах среза (НО), обусловленное усилением' влияния- азимута
поляризации падающего света на видносгъ интерференционной картины.
5. При двухволновом взаимодействии в кристалле Bi]2Si02o среза (ПО) в
пределах .области . одного локального максимума существует два
практически, равнозначных набора значений азимута линейно
поляризованного считывающего света, ориентационкого угла, толщины
кристалла и угла Брэгга, при которых энергообмел между' световыми
волнами максимален.,.... ,
Дичмый вклад соискателя. Диссертационная работа отражает личный вклад автора в проведенные исследования. Научный руководитель В.В. Шепелевич сформулировал тему диссертационной работы, осуществлял постановку задач и руководство исследованиями, участвовал в анализе и обсуждении результатов работы, оказывал методическую помощь в проведении теоретических расчетов.
; ;;' В' статье, выполненной совместно с В.В. Шепелевичём^ И. Ху, Е. Шамониной и К.Н. Рингофером основные теоретические соотношения были получены соискателем. В.В. Шепелевичем проанализированы графики, построенные по этим соотношениям, и разработан план статьи. Группой немецких коллег был проведен анализ влияния линейного я осциллирующего Членов на коэффициент усиления.
;.. Апробация результатов. Основные результаты работы докладывались на следующих научных конференциях:
I и П Межгосударственных научно-технических конференциях по квантовой электронике (Минск, 1996; Минск, 1998), Международном семинаре по фоторефрактивным материалам, эффектам и устройствам (Chiba, Japan,. 1997), 7-ой международной конференции "Нелинейная оптика жидких и фоторефрактивных кристаллов" (Крым, Украина, 1997).
Опубликованность результатов. Результаты опубликованы в 10 статьях (в том числе 3 - в научных журналах, 7 - в -сборниках научных трудов), I препринте, 1 научном отчете и 2 тезисах докладов. Общий объем опубликованных по теме диссертации работ составил 121 страница.
Структура, и объем диссертации Диссертация состоит из общей характеристики работа, трех глав^ заключения, списка использованных источников. Полный, объем диссертации составляет 111 страниц, из которых иллюстрациями, занято II страниц, таблицами — 1 страница!, списком 142 использованных источников - 12 страниц..
