Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время под фоторефрактивиьм эффектом (ФЭ) или
фоторефракцией понимают изменение показателя преломления среды под действием неоднородного по пространству светового поля. В экспериментальных исследованиях такое изменение показателя преломления приводит к самовоздействию прошедшего через фоторефрактивную среду света. Интенсивные исследования этого явления, проводимые в последние годы, вызваны возможностью эффективного использования фоторефрактивных кристаллов (ФРК) для усиления световых пучков, оптической обработки и хранения информации, обращения волнового фронта, оптической ассоциативной памяти и др. [1,2, 3].
В основе ФЭ лежат следующие физические процессы: неоднородное фотовозбуждение (примесное или собственное) свободных носителей заряда (электронов в зону проводимости, дырок в валентную зону) .под действием распространяющегося в ФРК светового поля: перемещение фотовозбужденных носителей по кристаллу за счет диффузии, дрейфа во внешнем и внутреннем электрическом поле, фотогальванического эффекта (ФГЭ); захват свободных носителей заряда ловушками и формирование электрического поля пространственного заряда; пространственная и временная модуляция диэлектрической проницаемости кристалла за счет линейного электрооптического эффекта внутренним и внешним электрическими полями, а также модуляция диэлектрической проницаемости неоднородной плотностью свободных носителей заряда за счет эффекта Друлс-Лоренца: обратное влияние модуляции диэлектрической проницаемости среды на световое поле.
Одной из осипі.},'],[\ задач фоторефракцнн является увеличение эффективности в'аимодейотьня свеп>ш.і\ .гл., он і:іі фоторсфракіивной нелинейности и исследование по. і.: эффектов, возникающих при іаком взаимодействии [4]. К настоящему моменту наибольшая эффективность двухпучкового взаимодействия, характеризуемая величиной коэффициента двухволнового усиления Г [1-3]. достигнута в кристаллах ВаТіОз (П=100 см"') [5], ВІ12ТІО20 (Г=35 см" ) [6]. BinSiOio (Г=6 см"1) [1-3. 7]. GaAs (Г=7.5 см" ) [8]. Значительную величину Г в первом п< этих кристаллов можно получить благодаря большому значению электрооптического коэффициента rJ'-> »120010 " " м В В кубических фоторефрактивных кристаллах Віїї'ПСЬ.. л BiiiSiOiQ эффективный інергіюбмен ноіможєн при применении нестационарных методов записи фоторефрактивных голограмм интерференционной световой картиной (статической или движущейся) во внешнем (постоянном или переменном) электрическом поле [1-3, 9].
Кубические фоторсфра-стишп.те кристаллы выгодно отличаются от кристалла BahO (симметрия 4mm) более ироеіі.іми условиями эксплуатации и выращивания, меньшим временем выхода фогорефрактивного отклика в стационарный режим [1-3]. С этим связана перспектива их использования в различных приложениях нелинейной оптики (см.. например. [10. 11, 12. !3[).
Основные особенносш взаимодействия световых пучков на фоторефракгивнои нелинейности кубических неиентросимметричных кристаллов связаны с нестационарными (в произвольном временном промежутке) условиями формирования элекгрического поля голограммы [14], одновременным влиянием циркулярного и наведенного внешним электрическим полем линейного двулучепреломленпя [15], а также влиянием пьезоэлектрического и фотоупруго эффектов [16]. Поэтому исследование влияния этих особенностей иа физические процессы.
4 лежащие в основе взаимодействии световых пучков на фоторефрактивной нелинейн представляется актуальной задачей.
Целью работы являлось исследование стационарного взаимодействия плс монохроматических световых волн на пространственном спектре возмущения диэлектриче проницаемости, сформированном за счет фоторефрактивной нелинейности нецентросимметричных кубических пьезокристаллах, на основе модового подхода.
Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые:
1. Исследовано взаимное влияние электрического и акустического полей при за
фоторефрактивных решеток короткими световыми импульсами.
2. Для произвольного промежутка времени проведен анализ формирования
пространственного заряда при действии на ФРК постоянной во времени интерференциоі
решетки и внешнего электрического поля с гармонической, или меандровой времеї
зависимостью.
-
Для произвольной ориентации вектора фоторефрактивной решетки К проведен ан; стационарного двухволнового взаимодействия, учитывающий влияние циркулярной наведенного внешним электрическим полем линейного двулучепреломления, а ТЕ пьезоэлектрического и фотоупругого эффектов.
-
Показано, что влияние эффекта самоднфракционной гирашш в кристаллах BinSiO ВіїгТІСЬр может приводить к неоднонаправленному энергообмену между световыми пучк, направленному всегда от более мошного пучка к менее мощному.
-
На основе модового подхода проведен анализ взаимодействия плоских световых волі пространственном спектре возмущения диэлектрической проницаемости, соответствуюі спектру субгармоник первой пространственной гармоники напряженности электрического п пространственного заряда. При этом показано, что зависимость интенсивности плоских светої волн, распространяющихся в направлении дробных дифракционных порядков, от пери основной фоторефрактивной решетки имеет многорезонансный характер.
-
На длине волны света 633 нм в кристалле силиката висмута, легированном океш кадмия, проведено экспериментальное исследование генерации пространственных суогармої основной гармоники возмущения диэлектрической проницаемости. При этом установлено, зависимость интенсивности света в дробных дифракционных порядках от периода ocHOBt фоторефрактивной решетки имеет несколько явно выраженных резонансов.
Практическая ценность работы состоит в том, что в ней:
1. Определены условия, при которых взаимодействие световых волн в фоторефрактивн
ячейках на основе кристаллов BitjSiC^o, Bi^TiCho, GaAs, помещенных во внешнее переменное
времени электрическое поле, имеет характер постоянного во времени процесса.
-
Предложен метод определения электрооптических постоянных фотопроводяш нецентросимметричных кубических кристаллов.
-
Предложена методика оценки параметров физической модели фоторефрактивне кристалла с одним типом фотоактивной примеси, учитывающая пьезоэлектрический фотоупругий эффекты и самодифракционную гнрацию.
4. Получены соотношения, позволяющие рассчитывать оптимальную для усиления слаб:
оптических сигналов поляризацию плоских световых пучков, падающих на фоторефрактивн;
ячейку.
5. Представленные в работе результаты позволили разработать фоторефрактивные ячейки, пригодные для использования в схемах усиления оптических изображений, обращения волнового фронта, оптической ассоциативной памяти.
На защиту выносятся следующие положения:
-
При записи фоторефрактивных решеток короткими световыми импульсами взаимное влияние формируемых акустического и электрического поля приводит к генерации как акустических волн, так и волн электрического поля.
-
При формировании электрического поля пространственного заряда Esc (t,r) в ФРК,
помещенных во внешнее электрическое поле с косинусоидалыюй или меандровой временной зависимостью, непрерывной во времени решеткой интенсивности света временные осцилляции Esc(t,r) пренебрежимо малы при определенных периодах внешнего поля. При этом верхний
предел этих периодов зависит не только от физических параметров кристалла, но и от величины и формы прикладываемого к кристаллу электрического поля.
-
При фиксированной ориентации вектора интерференционной решетки К относительно кристаллофизической системы координат кубических гиротропных нецентросимметричных кристаллов, помещенных во внешнее электрическое поле, максимальное значение коэффициента двухволнового усиления Г достигается при эллиптической поляризации падающих на кристалл плоских световых волн, поляризационные параметры которых зависят от длины взаимодействия.
-
При ориентации вектора интерференционной решетки К вдоль кристаллофизических направлений 1 10 , 1 11 кубических гиротропных нецентросимметричных кристаллов влияние
самодифракциошюй гирации может приводить к неоднонаправленному энергообмену при двухволновом взаимодействии.
-
Учет вклада фотоупругого и пьезоэлектрического эффектов и самодифракционной гирации в коэффициент двухволнового усиления позволяет значительно повысить точность определения физических параметров ФРК.
-
Зависимость интенсивности световых волн в дробных дифракционных порядках +3/2, -3/2 и ±1/2 от периода основной фоторефрактивной решетки при генерации пространственной субгармоники с вектором К/2, в кристалле силиката висмута носит многорезоттанспмй характер, при этом с ростом величины этого периода интенсивность света в порядках -^3/2. -3/2 уменьшается, а в порядке ±1/2 - увеличивается.
Достоверность сделанных в диссертации выводов обеспечивается тем, что результаты работы базируются на фундаментальных теоретических и экспериментальных методах, часть из которых реали ювывалась при помощи современных компьютерных среде і в Теоретические и экспериментальные данные сопоставляются друг с другом или е данными др\ гнх исследователей. а их физическая интерпретация соответствует существующим представлениям о процессах взаимодействия воли и физических полей в твердых телах.
Личный вклад автора в представленный в диссертации материал состоял: в подготовке и проведении экспериментальных исследований, позволивших провести первое экспериментальное наблюдение генерации пространственных субгармоник основной фоторефрактивной решетки на длине волны света 633 нм в кристалле силиката висмута, легированном оксидом кадмия и находящемся во внешнем знакопеременном электрическом поле; в основных идеях описания многоволиового взаимодействия при генерации пространственных субгар.моник в гиротропных
ілектрооптическпх кубических кристаллах, их математической формулировке. пол\ лналпичсеких решений и их физическом анализе на основе сопоставления с эксперимента.-!! данными, полученными в диссертации. Часть материалов, вошедших в диссертацию, полу соавторстве. В этой части автору принадлежат: в большинстве случаев - аналитические реї их интерпретация и численный анализ; подготовка и проведение эксперимента: исследований; анализ экспериментальных результатов на основе полученных в диссерта представленных в различных научных трудах теоретических результатов.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в десяти научных раї которые приведены в конце автореферата.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждалі 15-ой Всесоюзной конференции по акустоэлектронике и физической акустике твердого (Ленинград 1991 г.), Международных конференциях по фоторефрактивным материалам, эфф и приборам (США. Массачусетс. Беверли, 1991 и Украина, Киев, 1993). Междунарс симпозиуме по физическим принципам и методам оптической обработки инфори (Республика Беларусь, Гродно, 1993), симпозиуме Международного общества оптич инженерии SPIE (Россия, Ленинград, 1993), а также на семинарах Лаборатории нелине оптики при Челябинском государственном техническом университете, Института физики Украины, Томской государственной академии систем управления и радиоэлектроники.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех разд заключения; содержит 96 рисунков (включая (а), (б), (в)...), библиографию из 125 наименов Полный объем диссертации 153 страницы.
