Введение к работе
Необходимость дальнейшего совершенствования различных акусто-электронных устройств, предназначенных для обработки и записи информации в акустической форме стимулирует развитие известных и поиск новых принципов генерации, детектирования и преобразования акустических волн.
В настоящее время в основе одного из наиболее перспективных методов преобразования акустических сигналов лежит нелинейное акустозлектронное взаимодействие в проводящих средах. Оно обеспечивает эффективную генерацию гармоник, обращение волнового фронта и другие акустические нелинейные эффекты, например, свертку и корреляцию сигналов. В устройствах, использующих нелинейное акустозлектронное взаимодействие наиболее распространены слоистые структуры пьезоэлектрик-полупровод-ник. В таких структурах взаимодействие электронов полупроводника с поверхностными акустическими волнами, распространяющимися в пьезоэлскт-рике, осуществляется посредством пьезоэлектрического поля, проникающего в полупроводник. Попытки замены слоистой структуры на такой полупровод-ник-сегнетоэлектрик как CdS были малоуспешными, вследствие малого времени жизни фотовозбужденных носителей и как следствие - малого времени хранения информации.
В то же время, необходимость расширения возможностей применения акустоэлектронных устройств привела к исследованиям акустоэлектронных взаимодействий в нецентросимметричных оксидных сегнетоэлектриках (LiNb03, ІлТаОз, ВаТіОз, Ba2NaNbOi5, КІЧЬОз и ряд других), обладающих фоторефрактивным эффектом (ФРЭ). ФРЭ заключается в локальном изменении показателя преломления в области воздействия оптического пучка. Поскольку в таких кристаллах возможно реверсивное изменение или сохранение фотоиндуцированного внутреннего электрического поля (1(РВ/см), создаваемого ионизированными свободными носителями, то исследователей привлекла возможность оптического управления скоростью и затуханием акустических волн, генерации акустических волн на периодических доменных структурах, а также удлинение срока хранения информации до нескольких месяцев.
Однако несмотря на очевидную перспективность таких исследований, достижение принципиально новых фундаментальных результатов и их реальное претворение в различные акустоэлектронные устройства сдерживалось, в основном, уровнем фундаментальных исследований различных фотоиндуци-рованных эффектов и недостаточной разработкой соответствующих
физических моделей.
В первую очередь, это касалось разработки общей схемы переноса фотовозбужденного заряда под действием оптического облучения и создания модельного представления взаимодействия акустических волн с ионизированными примесными и структурными центрами. Такой системный подход позволил решить проблему оптического управления упругими свойствами сегнетопьезо-электриков и создание на этой основе нового поколения акустоэлектронных устройств.
Все вышеизложенные соображения предопределили постановку цели и задачи диссертационной работы.
состояла в разработке научных основ и механизмов создания нового класса акустоэлектронных устройств для генерации, преобразования и записи акустических сигналов с использованием акустоэлектронного взаимодействия в фоторефрактивных кристаллах. Данная проблема включает решение следующих задач:
- разработка концепции и физических принципов взаимодействия акусти-
ческих волн со структурными и примесными центрами в фоторефрактивных кристаллах;
изучение динамики оптического возбуждения фотоактивных центров и формирования фотоиндуцированных электрических полей;
установление механизмов влияния примесных ионов и структурных центров
на оптические и упругие свойства сегнетоэлектрическнх кристаллов;
- разработка физических принципов и способов формирования оптически и
акустически индуцированных периодических доменных структур в сегнетопьезоэлектрических кристаллах;
- установление особенностей генерации и распространения акустических
волн в предложенных доменных структурах.
Представленная выше цель работы обуславливает использование образцов со строго контролируемым стехиометрнческим составом и концентрацией примесных ионов. Такими образцами в настоящее время являются монокристаллы ниобата лития, технология получения которых хорошо
отработана. Неслучайно, что ниобат лития является модельным кристаллом при разработке различных физических механизмов фотоиндуцированных процессов, а также широко используется в нелинейной, когерентной оптике, и акустозлектронике.
Кроме того, ряд исследований был выполнен на монокристаллах танталата лития и титаната бария. Общность полученных результатов позволяет распространить созданные физические модели и на другие оксидные сегнетоэлектрики, обладающие фоторефрактивным эффектом.
Комплексный подход к экспериментальному решению поставленных задач включал в себя:
- направленный термический отжиг образцов при различных температурах
и окислительно-восстановительных средах, позволяющий изменять концентрацию структурных центров и валентное состояние примесных ионов;
контроль за концентрациями и валентным состоянием структурных и примесных центров, в том числе - и в процессе оптического воздействия, которое осуществлялось с помощью оптической спектроскопии, ЭПР и акустического ЭПР;
методику изучения генерации и распространения объемных и поверхностных акустических волн в условиях оптического облучения исследуемых образцов, в том числе - и со сформированными периодическими доменными структурами.
Оптическое облучение образцов создавалось набором монохроматических лазерных и квазимонохроматических пучков на различных длинах волн в диапазоне 03 - 0.8 мкм.
состоит в том, что впервые получены следующие экспериментальные и теоретические результаты:
1. В результате исследования спектральных и температурных характеристик фоторефрактивного эффекта установлено участие в фотоиндуцированном изменении показателя преломления примесных и структурных центров, получено прямое доказательство справедливости описания ФРЭ с помощью микроскопической модели двух фотоактивных центров.
-
В результате проведенных исследований лазерной стойкости ниобата лития обнаружен эффект понижения порога оптического пробоя в области фото-индуцированного изменения показателя преломления за счет интерференции Доставляющих лазерного пучка. Разработан неразрушающий способ определения порога оптического пробоя в фоторефрактивных кристаллах.
-
Установлен новый микроскопический механизм ФРЭ, обусловленный изменением поляризации вокруг примесных ионов железа и образованием сегнетоэлектрическнхмнкродоменов.
-
Обнаружено изменение скорости и поглощения ультразвуковых волн в ниобате лития под действием оптического облучения. Установлен механизм влияния оптического облучения на упругие свойства фоторефрактивных кристаллов.
-
Обнаружено возникновение инвертированной доменной структуры при одновременном распространении стоячей поверхностной акустической волны (ПАВ) и оптического облучения монодоменного образца ниобата лития. Установлено, что токовая нелинейность в пьезосегнетоэлектриках является причиной образования зарядового поля, создающего переполяр изацию.
-
Экспериментально исследовано взаимодействие поверхностных акустических волн со структурой инвертированных доменов. Обнаружено отражение и преломление ПАВ на структуре инвертированных доменов. Разработана физическая модель дополнительной акустической нелинейности в пьезосегнетоэлектриках, создаваемой доменной структурой.
-
Обнаружены генерация основной и второй акустических гармоник на структуре акустически индуцированных доменов в ниобате лития.
-
Исследована генерации ПАВ лазерными импульсами. Установлены особенности генерации акустических волн лазерными импульсами в сегнетоэлектрических кристаллах.
1. Показана возможность управления параметрами фоторефрактивного эффекта (спектральная характеристика, фоторефрактивная чувстви-
тельность) путем изменения соотношения примесных ионов с переменной валентностью в фоторефрактивных кристаллах.
-
Установлены причины кажущегося понижения оптической стойкости фоторефрактивных кристаллов, вызванные интерференцией частей оптического пучка при изменении показателя преломления, и разработан неразрушающин способ определения порогов пробоя в таких кристаллах.
-
Разработан способ создания структуры периодических доменов в фоторефрактивных сегнетопьезозлектриках, основанный на перераспределении фотоиндуцированных электронов электрическим полем стоячей поверхностной акустической волны.
-
Показана возможность использования периодических доменных структур в фоторефрактивных сегнетопьезозлектриках для генерации и детектирования акустических колебаний.
-
Показана возможность использования фоторефрактивных кристаллов для записи и обработки информации в акустической форме.
-
Показана возможность управления акустическими характеристиками (скорость и затухание упругих волн) путем направленного облучения фоторефрактивных кристаллов.
заключается в проведенном сравнительном анализе различных модельных представлений о природе ФРЭ и акустоэлектронных взаимодействиях в фоторефрактивных кристаллах.
подтверждается непротиворечивостью полученных результатов особенностям предложенных моделей, а также более поздними публикациями других авторов, результаты которых хорошо согласуются с нашими ранними фактами.
Результаты работы использованы при разработке нового класса элементов для устройств управления лазерными пучками (НПО "Полюс", г. Москва),
методики и результаты исследований акустооптических свойств сегнетоэлектриков использовались при разработке физических моделей оптической прочности сегнегоэлектрических кристаллов (Казанский физико-технический институт КНЦ РАН), а также при разработке курсов "Материалы и элементы электронной техники" и "Оптоэлектроника" в Казанском филиале МЭИ (ТУ).
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на XII, XIII и XIV Всесоюзных конференциях по акустоэлектронике и физической акустике (Саратов, 1983, Черновцы, 1986, Кишинев, 1989); VI и VII Международных семинарах по физике сегнетоэлектриков - полупроводников (Ростов-на-Дону, 1993 и 1996);XII, XIII и XIV Всесоюзных (Всероссийских) конференциях по физике сегнетоэлектриков (Ростов-на-Дону, 1989, Тверь, 1992, Иваново, 1995); XI Всесоюзной акустической конференции (Москва, 1991); VII Международной конференции по ферроэлектричеству (Дижон, 1991); Всесоюзной научно-технической конференции "Методы и средства повышения информативности и достоверности ультразвуковой дефектоскопии" (С-1 Іетербург, 1989); Международном конгрессе по ультразвуку (Берлин, 1995); Международном симпозиуме "Акустоэлектроника, управление частотой и генерация сигналов" (Москва, 1996); Международном симпозиуме по поверхностным волнам и акустоэлектронике (Москва-С.-Петербург, 1994); Международном симпозиуме по фотонному эху и когерентной спектроскопии (Йошкар-Ола, 1997); VII Международном семинаре по физике ферро-эластнков (Казань, 1997); 1-ой Региональной конференции "Лазеры в Поволжье" (Казань, 1997); а также регулярно докладывались на научных конференциях Республики Татарстан и Казанского филиала Московского энергетического института (ТУ).
Результаты исследований по теме "Фото и термоиндуцированные изменения акустических характеристик сегнетоэлектриков" отмечена в числе важнейших по АН СССР за 1990 г.
Данные работы были поддержаны РФФИ (1 'ранты 94-02-04234 и 96-02-18229).
Основное содержание диссертации отражено в 42 печатных трудах и 1 авторском свидетельстве на изобретение.
В большинстве работ, выполненных в соавторстве, постановка проблемы, разработка экспериментальной методики проведены диссертантом, выполнение экспериментов и интерпретация результатов проведены совместно с соавторами.
Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы it содержит 241 страницу.