Содержание к диссертации
Введение
1 ГЛАВА. Запись изображения в фоторефрактивных кристаллах и сопутствующие эффекты 15
1.1. Фотовольтаический эффект в фоторефрактивных кристаллах 15
1.1.1. Линейный и циркулярный фотовольтаический эффект 17
1.1.2. Поляризационные и спектральные свойства ФВЭ 18
1.1.3. ФВЭ в сегнетоэлектрических кристаллах 21
1.1.4. Модели фотовольтаического эффекта 24
1.1.5. Фотовольтаический эффект в кристаллах ниобата лития от широкополосного некогерентного излучения 26
1.2. Фоторефрактивный эффект 28
1.2.1. Определение и основные свойства фоторефрактивного эффекта 28
1.2.2. Модели фоторефрактивного эффекта 30
1.2.2.1. Модель Чена 31
1.2.2.2. Модель Джонстона 33
1.2.2.3. Диффузионный механизм 34
1.2.2.4. Оптическое возбуждение дипольных моментов примесных ионов 34
1.2.2.5. Другие модели, объясняющие фоторефрактивный эффект 35
1.3. Фоторефрактивное рассеяние света в кристаллах 37
1.4. Электрооптический эффект и преобразование широкополосного излучения в нелинейнооптических кристаллах 45
1.5. Интерференционно-поляризационные характеристики излучения, прошедшего кристаллические пластинки, используемые для записи изображения 52
1.5.1. Поляризация света, прошедшего кристаллическую пластинку 52
1.5.2. Распространение светового излучения в анизотропных кристаллах 55
1.5.3. Управление поляризацией света 59
1.5.4. Интерференция поляризованных лучей 65
1.6. Запись и считывание оптической информации в фоторефрактивных кристаллах 70
1.6.1. Термооптический метод записи 71
1.6.2. Запись изображения при формировании электрического заряда в
приповерхностной области кристаллов ниобата лития 73
1.6.3. Электрооптический метод записи в фоторефрактивных кристаллах 76
1.6.4. Голографическая запись информации 78
1.6.5. Запись изображения в фоторефрактивных кристаллах широкополосным некогерентным излучением 82
Выводы 82
2 ГЛАВА. Формирование изображения в фоторефрактивных кристаллах ниобата лития 84
2.1. Экспериментальные схемы записи оптического изображения в кристаллах ниобата лития 84.
2.2. Формирование изображения в кристаллах ниобата лития при помощи диафрагмы 87
2.3. Формирование изображения в кристаллах ниобата лития при помощи реплики, нанесенной на зеркало 90
2.4. Ориентационно-поляризационная зависимость контраста записи изображения 94
Выводы 103
3 ГЛАВА. Интерференционно-поляризационные характеристики излучения, прошедшего через кристаллические пластинки, используемые для записи изображения 105
3.1. Управление спектром пропускания кристаллической пластинки 106
3.2. Управление спектром пропускания системы поляризатор-кристалл-кристалл-анализатор 111
3.3. Управление поляризационными характеристиками излучения, прошедшего фазовую пластинку 118
3.3.1. Задание поляризации излучения при помощи фазовой пластинки 118
3.3.2. Критичность степени поляризации излучения, прошедшего через фазовую пластинку 127
3.4. Эллиптичность немонохроматического излучения, прошедшего через фазовые пластинки 130
3.5. Параметрический метод построения эллипса поляризации излучения и определение его характеристик 137
Выводы 144
4 ГЛАВА. Коноскопические картины оптических кристаллов в широкоапертурных слаборасходящихся пучках света 146
4.1. Экспериментальная установка для наблюдения коноскопических картин оптических кристаллов в широкоапертурных слаборасходящихся пучках света 146
4.2. Исследование оптических кристаллов в широкоапертурных пучках света. 148
4.3. Трансформация коноскопических картин при изменении положения оптической оси кристаллической пластинки 158
4.4. Интерференция коноскопических картин в широкоапертурных слаборасходящихся пучках света 161
Выводы 166
5 ГЛАВА. Фотовольтаический эффект в кристаллах ниобата лития 167
5.1. Фотовольтаический эффект в кристаллах ниобата лития от широкополосного некогерентного излучения 167
5.2. Кинетика фотовольтаического эффекта в кристаллах ниобата лития 174
5.2.1. Фотовольтаический эффект в номинально чистых кристаллах 174
5.2.2. ФВЭ в легированных кристаллах ниобата лития 177
5.2.3. Спектральная чувствительность ФВЭ в кристаллах ниобата лития 182
5.3. Влияние электрических полей на фотовольтаический эффект 184
Выводы 187
6 ГЛАВА. Фоторефрактивное рассеяние света в кристаллах ниобата лития 189
6.1. Кольцевое фотоиндуцированное рассеяние света 189
6.2. Эффект термической усталости в кристаллах ниобата лития и диффузионное рассеяние света 193
6.3. Периодическая перекачка излучения в кристаллах LiNbC^Rh 198
6.4. Моделирование индикатрисы фоторефрактивного рассеяния света 203
6.4.1. Расчет индикатрисы широкоуглового фоторефрактивного рассеяния света в кристаллах ниобата лития 203
6.4.2. Расчет кинетики широкоуглового фоторефрактивного рассеяния света в кристаллах ниобата лития 208
6.4.3. Расчет индикатрисы селективного по углу фоторефрактивного рассеяния света в кристаллах ниобата лития 212
6.4.4. Определение фотопроводимости кристалла по кинетике фоторефрактивного рассеяния света 217
Выводы 222..
Заключение 223
Список литературы 228
- Фотовольтаический эффект в кристаллах ниобата лития от широкополосного некогерентного излучения
- Формирование изображения в кристаллах ниобата лития при помощи реплики, нанесенной на зеркало
- Эллиптичность немонохроматического излучения, прошедшего через фазовые пластинки
- Трансформация коноскопических картин при изменении положения оптической оси кристаллической пластинки
Введение к работе
С момента создания лазера, начались бурные исследования в области нелинейной оптики. Интенсивное развитие лазерной техники позволило реализовать многочисленные эксперименты в области нелинейной оптики. Практически любой эффект нелинейной оптики можно применить в информационных технологиях для записи, хранения и передачи информации.
В настоящее время уделяется большое внимание со стороны ученых различных отраслей знаний к исследованию фоторефрактивных сред и особенностям взаимодействия электромагнитного излучения с этими средами. Фо-торефрактивные среды являются наиболее перспективными для создания на их основе новых элементов информационной техники, для оптических систем обработки информации. Типичными примерами таких систем являются фурье-процессоры, устройства пространственной фильтрации изображений, корреляторы, светофильтры, модуляторы и затворы широкополосного излучения [1-4]. Одним из наиболее эффективных фоторефрактивных кристаллов (ФРК) является кристалл ниобата лития. Этот кристалл обладает высокими нелинейными, электрооптическими, пьезоэлектрическими, пироэлектрическими, фотовольтаическими (ФВ) и фоторефрактивными (ФР) свойствами, что обуславливает возможность его широкого применения в устройствах голографической записи информации, а также модуляции, дефлекции и преобразования частоты оптического излучения. Прямым следствием фоторефрак-тивного эффекта (ФРЭ) является фоторефрактивное рассеяние света (ФРРС), которое обуславливает сильную деструкцию лазерного пучка, проходящего через ФРК, что является ограничивающим условием для голографической записи информации. Исследование ФРРС в ниобате лития важно и интересно в двух аспектах. С одной стороны, это накопление и систематизация информации, необходимой для улучшения голографических характеристик ФРК, с другой стороны ФРРС позволяет получить новые данные о свойствах кристалла и влиянии различных примесей на эти свойства.
Большинство научных работ по исследованию ФРЭ проведено с использованием когерентных источников света (лазеров X = 0,44 мкм и X = 0,488 мкм). С использованием широкополосного некогерентного излучения работ крайне мало. В то же время известно, что ФРРС проявляется только при взаимодействии когерентного света с ФРК. Использование некогерентного излучения в перспективе может привести к существенному улучшению характеристик уже существующих и созданию новых устройств, в которых используются ФРК, а также к значительному снижению стоимости таких приборов.
Таким образом, данное направление в области оптики ФР сред в научном плане и в плане прикладных разработок является важной и актуальной задачей и требует дальнейших систематических исследований.
Цель и задачи работы
Целью исследований является выявление физических закономерностей и особенностей формирования оптического изображения в легированных кристаллах ниобата лития с использованием широкополосного некогерентного излучения и рассмотрение сопутствующих эффектов. Выявление спектральных и поляризационных характеристик излучения, прошедшего через систему кристаллических пластинок, используемых для записи изображения.
Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены следующие задачи:
1. Исследовано влияние различных факторов (ориентации, линейного размера светового пятна, поляризации излучения относительно полярной оси кристалла, концентрации и вида примесей, температуры окружающей среды) на контраст и скорость записи, а также на время хранения оптического изображения;
Исследованы особенности протекания фотовольтаического эффекта при облучении легированных кристаллов ниобата лития широкополосным некогерентным излучением;
Исследовано фоторефрактивное рассеяние света с использованием излучения гелий-неонового лазера, влияние многократного термического отжига на процесс фоторефрактивного рассеяния света; возможность управления индикатрисой рассеяния при помощи внутренних и внешних электрических полей;
Исследовано формирование нетрадиционных коноскопических картин в широкоапертурных слаборасходящихся пучках света. Предложен новый оптический метод наблюдения оптически наведенных неоднородностей показателя преломления в образце;
Исследованы спектры пропускания отдельных кристаллических пластинок, изготовленных из кристаллов кварца (SiC^), кальцита (СаСОз), KDP» (КНгРОД ниобата лития (LiNbCb) при различном расположении оптической оси пластинки относительно направления пропускания поляризатора, разной-толщине пластинок, при вращении анализатора;
Рассчитаны спектры излучения, прошедшего через систему из двух, трех и четырех кристаллических пластинок. Выявлены особенности этих спектров. Исследовано влияние на спектры пропускания пластинок их толщины, количества пластинок, угла поворота пластинок друг относительно друга и относительно плоскости пропускания поляризатора, а также изменение спектра при вращении анализатора;
Изучены особенности изменения параметров поляризации излучения, прошедшего через кристаллическую пластинку: эллиптичности, азимута и степени поляризации, при различных углах поворота пластинки по отношению к плоскости пропускания поляризатора, различной разности фаз между компонентами электрического поля прошедшей волны и различной длине волны, на примере кристаллов KDP и ниобата лития. Предложен метод опре-
деления поляризационных характеристик излучения, прошедшего через систему фазовых пластинок, основанный на применении параметрических уравнений эллипса поляризации. Выявлены возможности использования фазовой пластинки с произвольной разностью фаз между обыкновенным и необыкновенным лучами для управления эллиптичностью прошедшего излучения.
Объекты и методы исследования
В качестве основного объекта исследования выбраны кристаллы ниобата лития с различными примесями и концентрациями, а также номинально чистые кристаллы. Все кристаллы выращены с использованием одной и той же методики и постоянной шихты, что исключает случайную природу наблюдаемых эффектов.
Кроме этого, исследовались кристаллы KDP, кальцита, кварца.
К выполнению работы привлечен набор методик: фотографических, фотоэлектрических и спектроскопических, компьютерное моделирование.
Основные положения, выносимые на защиту
Запись изображения реализуется при наличии градиента интенсивности записывающего пучка dJIdz, направленного вдоль полярной оси кристалла. Отклик An (изменения показателя преломления кристалла) пропорционален градиенту интенсивности dJIdz.
В фоторефрактивных кристаллах возможна запись изображения объектов за счет квадратичной нелинейности кристалла при освещении их некогерентным широкополосным излучением.
При записи изображения объектов в фоторефрактивных кристаллах некогерентным широкополосным излучением мешающее влияние фотореф-рактивного рассеяния света исключается из-за наличия множества частот излучения, некогерентных относительно друг друга.
Точка перехода линейчатого спектра в сплошной в системе поляризатор-кристалл-анализатор позволяет определить или задать не только угол между главным сечением кристаллической пластинки и направлением пропускания поляризатора, но и характерные для данной пластинки спектры пропускания, а также угол между направлениями пропускания поляризатора и анализатора.
Эффект компенсации влияния плоскопараллельных кристаллических пластинок на спектр пропускания системы, состоящей из поляризатора, пластинок и анализатора реализуется, когда направления пропускания поляризатора и анализатора взаимно перпендикулярны и одно из главных сечений кристаллических пластинок совпадает с направлением пропускания поляризатора.
Параметрические уравнения эллипса поляризации и уравнения характеристических направлений позволяют построить эллипс поляризации про- с шедшего через систему излучения, определять его характеристики и управлять ими.
Фотовольтаический отклик в кристаллах ниобата лития при освещении широкополосным излучением обусловлен вкладом одинаковых частотных компонент. Перекрестные взаимодействия разных частотных компонент вклада не дают, так как эти компоненты не когерентны.
В кристаллах ниобата лития наблюдается эффект термической усталости при многократном термическом отжиге (в течение 30 мин при температуре 200С).
Научная новизна работы
1. Реализована запись изображения с широкополосным, немонохроматическим излучением в фоторефрактивных легированных кристаллах ниобата лития. Изменения показателя преломления (запись изображения) происходят благодаря наличию градиента интенсивности записывающего излучения,
направленного вдоль полярной оси кристалла. Контраст записи и время хранения изображения, в легированных кристаллах ниобата лития при использовании широкополосного некогерентного излучения зависит от формы падающего на кристалл светового изображения и его ориентации относительно полярной оси кристалла, а также от поляризации излучения.
Существует эффект компенсации влияния одной из пластинок в системе поляризатор-кристалл-кристалл-ализатор на спектр пропускания системы.
В системе поляризатор-кристалл-анализатор существует характерная точка перехода линейчатого спектра в сплошной при вращении плоскости главного сечения кристаллической пластинки относительно направления пропускания поляризатора или вращении анализатора.
Предложен метод определения поляризационных характеристик излучения, прошедшего через систему кристаллических пластинок, основанный на применении параметрических уравнений эллипса поляризации.
Впервые обнаружено и продемонстрировано проявление термиче- . ской усталости кристалла ниобата лития в фоторефрактивном рассеянии света при многократном отжиге. Вероятно, это обусловлено увеличением тем-новой проводимости кристалла. Фоторефрактивные свойства кристалла при этом ослабевают.
Предложенная методика исследования фоторефрактивных кристаллов, заключающаяся в наблюдении коноскопических картин в широкоапер-турных слаборасходящихся пучках света, позволяет определять наличие оптических неоднородностей в кристалле.
Впервые зарегистрированы нетрадиционные интерференционные коноскопические картины в слаборасходящихся пучках света от двух кристаллических пластинок ниобата лития. Интерференционная картина трансформируется при изменении угла между плоскостями главных сечений кристаллических пластинок.
8. При облучении кристаллов ІЛМЮзіИі излучением гелий-неонового лазера происходит периодическая перекачка части энергии излучения из рассеянного в центральное пятно и обратно.
Связь с государственными программами и НИР
Диссертационная работа связана с фундаментальной научно-исследовательской темой ОАО «РЖД» «Анизотропное отражение света и электрооптические свойства кристаллов», выполняемой на кафедре «Физика» ДВГУПС.
Практическая значимость работы
Все полученные в диссертационной работе результаты служат основой для создания новых нелинейно-оптических элементов и на их основе приборов нового типа, применяемых в открытых и волоконных линиях связи, для ; создания новых запоминающих и других устройств. Применение в этих уст-
ройствах широкополосного, естественного света может существенно снизить их стоимость. Полученные в диссертационной работе научные результаты могут быть использованы для выявления характеристик кристалла - величины двулучепреломления, наличия дефектов, определения степени поликристалличности пластинок. Возможности изменения спектров пропускания плоскопараллельных пластинок могут быть полезны при управлении характеристиками широкополосных лазеров на красителях, при селекции в лазерах модового состава, изменении спектра в обычных пучках излучения, изготовив из пластинок, поляризатора и анализатора монохроматор излучения. Такая система может оказаться полезной при создании реперных спектров при проведении спектральных исследований; при определении угла между оптическими осями двух пластинок.
Достоверность научных результатов
Результаты работы гарантируются использованием современных представлений о фоторефрактивных процессах в кристаллах ниобата лития, основанных на общепринятых физических моделях и подтверждаются сопоставлением с наблюдаемыми экспериментальными данными или с результатами численных расчетов.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались на следующих конференциях:
1, 2, 3, 4, 5 Международной научной конференции молодых ученых и специалистов «Оптика 1999», «Оптика 2001», «Оптика 2003», «Оптика 2005», «Оптика 2007», Санкт-Петербург, 1999, 2001, 2003, 2005, 2007;
Modern problems of laser physics. (MPLP'2000) Simposium, Novosibirsk, 2000;
First international conference for young on laser optics (LO-YS 2000), St-Petersburg, 2000;
Asia-Pacific Conference on Fundamental problems of Opto- and Microelectronics and International Workshop on Optical Beam Transformation (IWBT'2001) Vladivostok, 2001;
4, 5, 6, 7 Региональной научной конференции «Физика: фундаментальные и прикладные исследования, образование», Владивосток, 2003, Хабаровск, 2005, Благовещенск, 2006, Владивосток, 2007;
Региональной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по физике полупроводниковых, диэлектрических и магнитных материалов, Владивосток, 2004;
4 Международной научной конференции «Радиационно-термические эффекты и процессы в неорганических материалах», Томск, 2004;
Asia-Pacific Conference on Fundamental Problems of Opto- and Microelectronics, APCOM-2004, Khabarovsk, 2004;
3, 4, 5 Международной научной конференции «Фундаментальные проблемы оптики», С.-Петербург, 2004, 2006, 2008;
Fifth Asia-Pacific Conference and Workshop on Fundamental Problems of Opto- and Microelectronics, APCOM - 2005, Vladivostok, 2005;
IV Международной научной конференции творческой молодежи «Научно-техническое сотрудничество стран АТР в XXI веке», Хабаровск, 2005;
Международной научной конференции «Принципы и процессы создания неорганических материалов» (Третьи Самсоновские чтения), Хабаровск, 2006;
Научной сессии МИФИ - 2007, МИФИ - 2008, Москва, 2007 г., 2008 г.;
12th Conference on Laser Optics, LO-2006, St.Peterburg, 2006;
XVIII Всероссийской конференции по физике сегнетоэлектриков, ВКС-18, С.-Петербург, 2008;
VII Международной научной конференции «Лазерная физика и оптические технологии», Минск, 2008.
Фотовольтаический эффект в кристаллах ниобата лития от широкополосного некогерентного излучения
В основном изучение ФВЭ проводилось с использованием когерентного (лазерного) излучения. Работ по изучению этого эффекта с использованием широкополосного, некогерентного излучения крайне мало.
В работах [49-52] исследуется кинетика ФВЭ в легированных и номинально чистых кристаллах ниобата лития в зависимости от мощности и длины волны падающего излучения. Исследуются кристаллы LiNb03, LiNb03:Fe с (0,05-0,3% вес.) содержанием Fe толщинами 16,6 мм и 0,72 мм соответственно. Показано, что зависимость ФВЭ от времени линейна до насыщения, что соответствует литературным данным [5]. Экспериментально установлено, что при увеличении ширины светового зонда скорость возрастания напряжения увеличивается и напряжение достигает большего значения в линейной области. В кристаллах ЫМЮз, легированных ионами железа фотоотклик больше, чем в номинально чистых, его величина тем больше, чем больше концентрация примеси. Причем, так как плотность возникающего фототока j = Gal и постоянная Гласа G не зависит от концентрации железа в кристалле [18], то фотоотклик увеличивается за счет увеличения коэффициента поглощения а. Установлено, что постоянные фототоки линейно зависят от интенсивности падающего излучения.
В работе [53] показано, что такая «нефоторефрактивная» примесь как Rh , по сравнению с Fe , препятствует ФВ процессам в кристалле ниобата лития.
В работе [54] авторы исследуют зависимость ФВЭ от частоты падающего излучения. Показано, что в случае широкополосного излучения величина фотоотклика зависит от наличия определенного диапазона частот.
В работах [49, 55] номинально чистый кристалл ниобата лития предварительно облучается широкополосным излучением, а затем закорачивается на 1-2 минуты. После размыкания электродов ФВ напряжение снова возрастает (без облучения) по тому же закону, что и при облучении. Авторы объясняют это тем, что при замыкании электродов происходит компенсация поверхностного заряда, а наведенное внутреннее электрическое поле не скомпенсировано, и при последующем размыкании электродов происходит релаксация внутреннего наведенного поля за счет темновой проводимости кристалла. Также отмечается, что в кристаллах ранее подвергнутых облучению, появляется аномалия на кривой зависимости ФВ напряжения от времени. А именно, ФВ напряжение первоначально возрастает до определенной величины, после чего плавно спадает до нуля и снова растет, уже до насыщения. Авторы трактуют это компенсацией остаточного внутреннего электрического поля, которое не успело полностью релаксировать после предварительного облучения.
В работах [56-59] авторы исследуют ФВЭ при облучении кристаллов ниобата лития широкополосным некогерентным излучением, источником которого служила лампа накаливания ПЖ-1000. Показано, что зависимость величины ФВЭ от времени идентична с аналогичной зависимостью при облучении кристаллов когерентным светом. ФВ отклик зависит от состава и концентрации примесей. В кристаллах легированных железом ФВЭ максимален, а в номинально чистых - минимален.
Отметим, что в кристаллах ниобата лития также проявляется «эффект рентгенорефракции» при пространственно-неоднородном облучении кристаллов и для энергий облучения ( 20 кэВ) локализован на глубине порядка долей мм [7]. В работе [58] показано, что при однородном облучении кристаллов ниобата лития дозой в несколько тысяч стерадиан «эффект рентгенорефракции» не проявляется.
Впервые ФРЭ в сегнетоэлектрических кристаллах наблюдали Ашкин с соавторами [11] и Чен с соавторами [28] в 1966 году (в кристаллах LiNbCb и ІЛТаОз). Фактически ФРЭ [11,24,28,60] сводится к локальному обратимому изменению An кристалла при его освещении. Неоднородность возникает вдоль луча лазера, и главным образом изменяется показатель преломления необыкновенного луча пе (понижается). Изменение An может достигать 10"3 единиц, время оптической памяти от нескольких секунд до нескольких месяцев [28].
Возникновение ФРЭ не требует когерентности возбуждающего света: основным условием заметного изменения двулучепреломления является достаточно высокая энергия излучения. Значение An также зависит от длительности экспозиции. В [32] показано, что в ІІМзОз при малых экспозициях -0,01 с значение An пропорционально произведению времени экспозиции на интенсивность излучения An -It вплоть до весьма больших интенсивностей.
Формирование изображения в кристаллах ниобата лития при помощи реплики, нанесенной на зеркало
При облучении ФРК когерентным излучением в последних записывается множество голографических решеток, на которых в последствии происходит рассеяние света [78-114]. Также рассеяние света может быть обусловлено другими причинами [115-117].
Выполненные работы [78-102, 118], свидетельствуют о том, что в сегнето-электрических кристаллах ФРРС представляет собой особый случай голографических эффектов. Одно из ранних объяснений этого явления, предложенное авторами [78], основано на следующих качественных соображениях.
В любом кристалле есть "врожденные" неоднородности диэлектрической проницаемости, связанные, например, с микроблочной структурой, дислокациями, локальными отклонениями химического состава и другими типами ростовых неодно-родностей. Световое излучение, рассеянное на этих неоднородностях, интерферирует с накачкой, образуя сложную структуру минимумов и максимумов интенсивности. В результате переноса заряда в неоднородном световом поле в ФРК записывается фазовая голограмма (то есть модулируется показатель преломления среды). В работах [96, 102] показано, что в результате взаимодействия двух волн в ФР среде при вьшолнении определенных условий может осуществляться перекачка энергии от сильного пучка к слабому. Исходный световой шум (рэлеевское рассеяние), усиленный таким образом, и интерпретировался как ФРРС. Приведенное выше объяснение ФРРС лежит в основе так называемой є-модели ФРРС [117]. В R-модели ФРРС полагается, что не только диэлектрическая проницаемость, но и другие материальные параметры среды (проводимость, ФВ тензоры и т.д.) могут испытывать пространственные флуктуации [90,103]. Так в [103] указано, что из-за неоднородностей распределения концентрации активных примесей ФВ ток в кристалле может быть неоднородным даже в случае однородного освещения.
Многоволновая модель [82] отличается тем, что в процессах неселективного рассеяния существенное значение имеет глубокая модуляция фотопроводимости среды.
Исследования ФРРС обычно проводятся с использованием аргонового или гелий-кадмиевого лазеров, иногда используется некогерентное излучение от тепловых источников [78-104, 119]. Применяются кристаллические пластинки х-, у- или z-срезов, обычно толщиной 1-г2 мм. Излучение направляется на образец и за ним или в направлении отраженного луча наблюдается рассеянное излучение [120].
Экспериментально наблюдаемая расходимость светового пучка достигает 90 [121]. При этом первоначальная структура пучка оказывается на выходе из кристалла практически полностью разрушенной.
По характеру индикатрисы определяют два типа (ФРРС): - селективное (индикатриса имеет узко-угловой характер рассеяния из-за наличия направлений синхронизма); - неселективное (или широкоугловое).
Неселективное ФРРС имеет и другое название - индуцированное релеевское рассеяние. Неселективное ФРРС проявляется за счет появления в кристалле шумовых голограмм. В кристаллах класса Зт асимметрия индикатрисы обусловлена особенностями электрооптических свойств среды.
Сечение индикатрисы рассеяния имеет вид "восьмерки", вытянутой вдоль полярной оси кристалла [122-125]. При большой толщине кристаллов интегральная интенсивность рассеяния может становиться сравнимой с мощностью накачки. Эффект ФРРС оказался существенно нестационарным. С включением фотовозбуждения интенсивность рассеяния сравнительно быстро растет, а затем, достигнув максимума, медленно уменьшается. Время нарастания интенсивности рассеяния t m (jm - время максвелловской релаксации).
При исследовании особенностей наведенной оптической неоднородности в кристаллах LiNb03:Fe [126] обнаружено ФРРС ее-, оо-, ое- типов (по классификации [80]). Если лазерное излучение распространяется в кристалле в виде волны с необыкновенной поляризацией, ФРРС в дальней зоне в сечении, перпендикулярном направлению распространения накачки, имеет вид восьмерки, вытянутой вдоль оптической оси кристалла. Поляризация рассеянного излучения, в основном, совпадает с поляризацией накачки (ее - рассеяние). Со временем картина ФРРС "схлопывается" к центру восьмерки с одновременным уменьшением интенсивности рассеяния. В случае использования в качестве накачки излучение о - поляризации процесс рассеяния приобретает более сложный вид. Сначала происходит оо -рассеяние (аналогичное ее - рассеянию), однако через определенное время (t« 40 с) появляется рассеяние ортогональной поляризации (рассеяние ое - типа). Этот тип, рассеяния проявляется в виде двух пятен расположенных на оси, перпендикулярной полярной оси кристалла.
В работе [81] установлено, что поляризационно-анизотропное рассеяние в кристаллах LiNbOsiFe не наблюдается при воздействии на кристалл необыкновенной волны. Эффект имеет заметную спектральную чувствительность, и на длине волны гелий-неонового лазера он не наблюдается. Авторами [81] предложена трактовка этого эффекта в кристаллах без центра симметрии, связывающая появление ое -рассеяния с дифракцией падающего на кристалл пучка на шумовых динамических фазовых решетках, возникающих в кристалле из-за возбуждения пространственно-осциллирующих ФВ токов [5, 6, 9].
В кристаллах класса Зт, к которым принадлежит ниобат лития, ФВ тензор Р имеет четыре независимые компоненты рззз Рзіь Різь Р222 что определяет возможность записи и считывания шумовых решеток, ориентированных по всем трем кристаллографическим осям. Диагональные компоненты рук, связывающие световые волны одной поляризации, вызывают появление скалярных ФВ токов, на правление которых постоянно в пространстве, а плотность изменяется в соответствии с изменением интенсивности в интерференционной картине. В случае воздействия с различающимися поляризациями распределение интенсивности однородно по кристаллу, но суммарное состояние поляризации промодулировано. При этом в направлениях ох и оу возникают гфостранственно-осциллирующие токи [5, б, 9], величина и направление которых изменяется в соответствии с изменением суммарной поляризации световых волн. Пространственно-осциллирующие токи также, как и промодулированные скалярные ФВ токи, приводят к перераспределению объемного заряда и записи решетки. Так, несмотря на отсутствие пространственной модуляции света, в образце возникает динамическая решетка, на которой дифрагирует падающее излучение, вызывая усиление затравочной шумовой компоненты, что, в свою очередь, приводит к росту амплитуды осциллирующих токов, то есть к дальнейшей записи решетки. Линейные ФВ токи приводят к записи решеток, связанных с интерференционным полем, вследствие чего на них возможен, лишь нестационарный энергообмен, в то время как пространственно-осциллирующие токи вызывают появление как смещенных, так и несмещенных решеток, для которых энергообмен разрешен в стационарном режиме [81].
Эллиптичность немонохроматического излучения, прошедшего через фазовые пластинки
АВР - автоволновое рассеяние света [80, 91, 97, 108, 109,127], периодически возникающее кольцеобразное рассеяние в заднюю (относительно направления накачки) полусферу. Период возникновения рассеяния обратно пропорционален интенсивности накачки. В основе этого эффекта лежит неустойчивость ФР среды по отношению к возникновению профилированных фазовых голографиче-ских решеток.
Анизотропная самодифракция [80, 92, 107] - дифракция света с поворотом плоскости поляризации на объемных голографических решетках в нелинейных оптических (электрооптических) кристаллах.
ПРГТ — параметрическое рассеяние света голографического типа. Описано в работах [93-95]. В LiTa03 имеет место ПРГТ типа оо — ее, ое- ееиоо- ео. В кристаллах ІЛИЮз зафиксировано рассеяние типа ое - оо и ее — ео. Условия фазового синхронизма имеют вид: (индексы р и s означают накачку и рассеяние соответственно). В данном виде рассеяния двухпучковая запись голографических решеток сочетается с четырехволновым параметрическим взаимодействием.
ДГР - динамическое гало-рассеяние в ФРК [ПО]. Отличительной особенностью данного эффекта является коническая пространственная структура и импульсное временное поведение. Гало-рассеяние является частным случаем переходных процессов в среде с локальным откликом и развитыми флуктуациями концентрации фотоактивной примеси.
Следует отметить, что характеристики ФРРС в ниобате лития зависят от геометрии освещения, профиля светового пучка, степени легирования, степени когерентности возбуждающего света [79]. В указанной работе был, в частности, обнаружен режим "просветления" кристалла, представляющий собой увеличение нерассеянной мощности накачки. Этот режим реализуется в легированных кристаллах ЫМЮз при выполнении условия, накладываемого на поперечные размеры пучка накачки /о / 1\. Режим просветления обусловлен уменьшением интенсивности ФРРС после достижения максимума, что связано с возможностью лишь нестационарного энергообмена. По мнению авторов [79] при 1 1\ существенное рассеяние обеспечивается тем, что в приповерхностной области реализуется стационарное условие ]ф = зЕ + Кр І в связи с закорачиванием приповерхностного поля по
поверхности (либо специально созданным, либо реализуемым при поверхностных пробоях); следовательно, в приповерхностной области имеет место нестационарный режим энергообмена. При / /о рассеяние имеет не голографический механизм, а обусловлено расплыванием пучка на фотоиндуцированной линзе с An, растущим по мере роста поперечного градиента интенсивности накачки.
Примечательно то, что при использовании в качестве накачки широких лазерных пучков с небольшой плотностью мощности, пробои обычно не возникают. В этих условиях существование верхнего предела 1\ становится непонятным. Этот вопрос требует дальнейшего изучения.
Отметим, что авторами [79] обнаружена качественная зависимость ФРРС от степени когерентности накачки. В частности, при освещении кристаллов ниобата лития некогерентным светом ФРРС не наблюдается. Авторы [79] трактуют полученный результат как подтверждение голографической природы ФРРС. Однако другими авторами [111] указывается на вклад в рассеяние и других, неголографи-ческих механизмов, в частности, рассеяние на фотоиндуцированных неоднородно-стях показателя преломления, вызванных неоднородным распределением примеси в кристалле. Влияние степени когерентности света на голографический вклад в рассеяние требует дальнейшего исследования этого эффекта.
В работах [98, 112-114] авторы исследовали кинетику ФРРС по форме центрального пятна картины рассеяния при облучении легированных кристаллов ниобата лития гелий-неоновым лазером мощностью 2 мВт. Обнарут жен эффект термической усталости. После многократной термической обработки картина рассеяния заметно изменяется, что свидетельствует об ослаблении ФР свойств кристалла.
В работе [128] авторы исследовали влияние электрических полей на процесс ФРРС. Показано, что при приложении внешнего электрического поля картина ФРРС существенно изменяется. Особенности кинетики ФРРС при наличии внешнего электрического поля объясняются тем, что в данном случае одновременно действуют два механизма транспортировки фотогенериро-ванного заряда - ФВ ток и дрейф свободных зарядов во внешнем приложенном электрическом поле. Здесь же было показано, что наличие внутренних полей, наведенных в кристалле предварительным облучением, также существенно влияет на ФРРС. Характер изменений зависит от взаимного расположения облучаемой области кристалла и предварительно облученных областей кристалла. В работе [129] авторы рассмотрели особенности кинетики ФРРС в кристаллах ниобата лития с примесью родия. Показано, наличие примеси родия дает эффект периодической перекачки энергии из центрального пятна в рассеянное излучение и обратно.
Трансформация коноскопических картин при изменении положения оптической оси кристаллической пластинки
В работе [138] разработан электрооптический модулятор на кубическом кристалле магнониобата свинца РЫУ ш№ 2/зОз, позволяющий модулировать немонохроматическое излучение с большой угловой расходимостью (до 20). Спектральный состав модулируемого излучения 0,4-1 мкм. Недостатки данных модуляторов связаны с большой диэлектрической проницаемостью кристаллов магнониобата свинца (є = 7000), что ограничивает их применение в СВЧ устройствах, и наличием большой низкочастотной дисперсии электрооптических коэффициентов. Проявление сильной электрострикционной активности в этих кристаллах ограничивает их применение в электрооптических затворах.
В настоящее время продолжается разработка и исследование новых материалов для электрооптики и нелинейной оптики, в то же время значительно сузился круг электрооптических и нелинейнооптических кристаллов, постоянно используемых для решения конкретных практических задач [3,139-142].
Ниобат лития — материал, имеющий большое значение для разработки нелинейнооптических и электрооптических приборов для современных оптических систем передачи, записи и хранения информации. Поэтому продолжаются работы по исследованию физических свойств данного соединения и технологии выращивания монокристаллов хорошего качества.
В работах [1, 141, 143-152] проведен достаточно полный анализ ФР, нелинейных, электрооптических свойств ниобата лития с точки зрения физических процессов, происходящих в кристалле при изменении температуры, а также при воздействии электрических и световых полей.
Кристаллы ниобата лития являются, по-видимому, наиболее перспективными кристаллами для целей электрооптической модуляции света. Малые акустические потери и большие пьезоэлектрические коэффициенты этих кристаллов обуславливают большую интенсивность пьезоэлектрических ре-зонансов вплоть до высоких порядков. Резкое увеличение глубины модуля ции на собственных частотах кристалла может быть использовано в узкополосных модуляторах [3].
Результаты исследования условий оптимального электрооптического взаимодействия в кристаллах ниобата лития представлены в работах [2, 153]. Получены аналитические формулы для расчета показателей преломления собственных волн и их поляризации для базисных срезов кристалла при произвольной ориентации волнового вектора световой волны. Исследована возможность многоканальной модуляции в кристаллах ниобата лития [154].
На основе кристаллов ниобата лития разработаны модуляторы на поперечном электрооптическом эффекте ОМГ-22, обладающие высоким быстродействием [2]. Данные модуляторы работают только в параллельных пучках. При расходимости светового пучка, равной нескольким десяткам угловых минут, контраст модулятора не может превышать 50:1. В модуляторе ОМГ-22 благодаря использованию геометрического фактора //7=0,04 линейного поперечного электрооптического эффекта, наблюдающегося вдоль оптической оси, управляющее напряжение снижено до 120 В, что сравнимо с управляющим, напряжением модуляторов на основе кристаллов магнониобата свинца (РЬМ і/зІМЬг/зОз), при том, что электрооптический эффект в кристаллах ниобата лития на порядок меньше, чем в кристаллах магнониобата свинца.
В работе [2] разработан электрооптический затвор на продольном электрооптическом эффекте в кристаллах ниобата лития. Пластины из кристаллов вырезались под углом 55 к оптической оси. На обе поверхности пластины наносились прозрачные электроды. Толщина выбиралась таким образом, чтобы за счет естественной анизотропии создавалась разность фаз, равная п. В этом случае при параллельных поляризаторах затвор работает на открытие. Полуволновое напряжение для данного затвора составляло 2600 В, что вполне приемлемо для данного класса устройств.
Для понижения рабочего напряжения и уменьшения потребляемой мощности целесообразно использовать тонкие и длинные кристаллы. Рабо чим элементом волноводного электрооптического модулятора является тонкопленочный оптический волновод. Наибольшее распространение получили модуляторы на основе кристаллов сегнетоэлектриков и полупроводниковых соединений AmBv . Волноводные модуляторы на сегнетоэлектриках, как правило изготавливаются на основе кристаллов ниобата или танталата лития. Для волноводных модуляторов с планарным волноводом достигнуты следующие параметры: рабочий диапазон длин волн от 0,4 до 1,5 мкм; полоса частот 1-5 ГГц; напряжение полуволнового смещения 10-20 В; потребляемая мощность на единицу полосы частот 0,2-2 Вт/ГТц. Недостатком таких модуляторов являются большие потери света [130].
В работах [155-160] исследовались планарные волноводы изготовленные на основе кристалла ІЛМЮз, изучено влияние различных легирующих добавок (Аг, Не, Сг, Ег) на оптические свойства волноводов. Получен планарный нелинейнооптический волновод с использованием внедрения ионов Аг в кристалл 1л№ Оз [155]. Композитный волновод обладает быстрой нелинейной преломляющей способностью (5x10" см /Вт) при длине волны 532 нм, близкой к длине волны резонанса поверхностного плазмона. Этот тип нелинейного волновода может быть использован для быстрого фотонного переключения и модуляции света. В работе [156] представлена модель изменений показателей преломления для волноводов на основе кристаллов LiNb03 и LiTa03 с имплантированными ионами Не.
