Введение к работе
Актуальность темы
С момента создания лазера началось интенсивное развитие лазерной техники, которое 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 большое внимание со стороны ученых различных отраслей знаний уделяется исследованию фоторефрактивных сред и особенностям взаимодействия электромагнитного излучения с этими средами. Фоторефрактивные 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 и фоторефрактивными свойствами, что обуславливает возможность его широкого применения в устройствах го-лографической записи информации, а также модуляции, дефлекции и преобразования частоты оптического излучения. Прямым следствием фоторефрактивного эффекта 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 голографиче-ских 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 фоторефрактивного эффекта проведено с использованием когерентных источников света (лазеров с длиной волны 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 фоторефрактивных 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 поляризаци-
онных характеристик излучения, прошедшего через систему кристаллических пластинок, используемых для записи изображения.
Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены следующие задачи:
-
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 (КН2РО4), ниобата лития (ЫМЮз) 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 определения 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 кри-
сталлы. 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 фоторефрактивного 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 прошедшего 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 не-
когерентного 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 термической усталости кристалла ниобата лития в фоторефрактивном рассеянии света при многократном отжиге. Вероятно, это обусловлено увеличением темновой проводимости кристалла. Фоторефрактивные свойства кристалла при этом ослабевают.
-
Предложенная методика исследования фоторефрактивных кристаллов, заключающаяся в наблюдении коноскопических картин в широкоапертурных слабо-расходящихся пучках света, позволяет определять наличие оптических неодно-родностей в кристалле.
-
Впервые зарегистрированы нетрадиционные интерференционные коно-скопические картины в слаборасходящихся пучках света от двух кристаллических пластинок ниобата лития. Интерференционная картина трансформируется при изменении угла между плоскостями главных сечений кристаллических пластинок.
-
При облучении кристаллов LiNbCbiRh излучением гелий-неонового лазера происходит периодическая перекачка части энергии излучения из рассеянного в центральное пятно и обратно.
Оригинальность и новизна результатов подтверждается публикациями в ведущих зарубежных и отечественных физических журналах.
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 устройствах 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.;
12m 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.
Публикации и вклад автора
По теме диссертации автором опубликовано 46 работ, в том числе 15 статей в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией для соискателей ученой степени доктора наук, 3 патента на изобретение, 3 монографии, 5 статей в Proceedings of SPIE.
Автору принадлежит формулировка цели и постановка задач исследований, обоснование способов их осуществления, непосредственное выполнение значительной части экспериментов, основных аналитических расчетов, систематизация и анализ результатов.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, содержит 255 страниц машинописного текста, 81 рисунок, 3 таблицы и список литературы из 255 наименований, включая работы автора.
