Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по физике
На правах рукописи
СЮЙ АЛЕКСАНДР ВЯЧЕСЛАВОВИЧ
ЗАПИСЬ ИЗОБРАЖЕНИЯ В КРИСТАЛЛАХ НИОБАТА ЛИТИЯ ШИРОКОПОЛОСНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ
01.04.05 - Оптика
Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук
Хабаровск 2009
Работа выполнена в Дальневосточном государственном университете путей сообщения
Научный консультант: заслуженный деятель науки РФ доктор физико-математических наук, профессор Строганов Владимир Иванович
Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Букин Олег Алексеевич доктор физико-математических наук, профессор Малов Александр Николаевич доктор физико-математических наук, профессор Барышников Сергей Васильевич
Ведущая организация: Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им.
И.В. Тананаева Кольского научного центра РАН
Защита состоится 22 апреля 2009 года в 1400 часов на заседании диссертационного совета ДМ 218.003.01 при Дальневосточном государственном университете путей сообщения по адресу: 680021, Хабаровск, ул. Серышева, 47, ауд. 204.
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Дальневосточного государственного университета путей сообщения.
Автореферат разослан 20 марта 2009 года.
Ученый секретарь диссертационного совета ДМ 218.003.01 Т.Н. Шабалина
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
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 голографической 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 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 фоторефрактивного эффекта проведено с использованием когерентных источников света (лазеров с длиной волны = 0,44 мкм и = 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:
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;
2. Исследованы особенности протекания фотовольтаического эффекта при облучении легированных кристаллов ниобата лития широкополосным некогерентным излучением;
3. 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;
4. Исследовано формирование нетрадиционных коноскопических картин в широкоапертурных слаборасходящихся пучках света. Предложен новый оптический метод наблюдения оптически наведенных неоднородностей показателя преломления в образце;
5. Исследованы спектры пропускания отдельных кристаллических пластинок, изготовленных из кристаллов кварца (SiO2), кальцита (CaCO3), KDP (КH2PO4), ниобата лития (LiNbO3) при различном расположении оптической оси пластинки относительно направления пропускания поляризатора, разной толщине пластинок, при вращении анализатора;
6. 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;
7. 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 1. Запись изображения реализуется при наличии градиента интенсивности записывающего пучка dJ/dz, направленного вдоль полярной оси кристалла. Отклик n (изменения показателя преломления кристалла) пропорционален градиенту интенсивности dJ/dz.
2. В фоторефрактивных кристаллах возможна запись изображения объектов за счет квадратичной нелинейности кристалла при освещении их некогерентным широкополосным излучением.
3. 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.
4. Точка перехода линейчатого спектра в сплошной в системе поляризаторкристалл-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.
5. 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.
6. Параметрические уравнения эллипса поляризации и уравнения характеристических направлений позволяют построить эллипс поляризации прошедшего через систему излучения, определять его характеристики и управлять ими.
7. 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.
8. 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.
2. Существует эффект компенсации влияния одной из пластинок в системе поляризатор-кристалл-кристалл-ализатор на спектр пропускания системы.
3. 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.
4. Предложен метод определения поляризационных характеристик излучения, прошедшего через систему кристаллических пластинок, основанный на применении параметрических уравнений эллипса поляризации.
5. 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.
6. Предложенная методика исследования фоторефрактивных кристаллов, заключающаяся в наблюдении коноскопических картин в широкоапертурных слаборасходящихся пучках света, позволяет определять наличие оптических неоднородностей в кристалле.
7. 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 LiNbO3:Rh 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 научноисследовательской 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:
Х 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;
Х Modern problems of laser physics. (MPLPТ2000) Simposium, Novosibirsk, 2000;
Х First international conference for young on laser optics (LO-YS 2000), StPetersburg, 2000;
Х Asia-Pacific Conference on Fundamental problems of Opto- and Microelectronics and International WorkShop on Optical Beam Transformation (IWBTТ2001) Vladivostok, 2001;
Х 4, 5, 6, 7 Региональной научной конференции Физика: фундаментальные и прикладные исследования, образование, Владивосток, 2003, Хабаровск, 2005, Благовещенск, 2006, Владивосток, 2007;
Х Региональной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по физике полупроводниковых, диэлектрических и магнитных материалов, Владивосток, 2004;
Х 4 Международной научной конференции Радиационно-термические эффекты и процессы в неорганических материалах, Томск, 2004;
Х Asia-Pacific Conference on Fundamental Problems of Opto- and Microelectronics, APCOM-2004, Khabarovsk, 2004;
Х 3, 4, 5 Международной научной конференции Фундаментальные проблемы оптики, С.-Петербург, 2004, 2006, 2008;
Х Fifth Asia-Pacific Conference and Workshop on Fundamental Problems of Opto- and Microelectronics, APCOM - 2005, Vladivostok, 2005;
Х IV Международной научной конференции творческой молодежи Научнотехническое сотрудничество стран АТР в XXI веке, Хабаровск, 2005;
Х Международной научной конференции Принципы и процессы создания неорганических материалов (Третьи Самсоновские чтения), Хабаровск, 2006;
Х Научной сессии МИФИ - 2007, МИФИ - 2008, Москва, 2007 г., 2008 г.;
Х 12th Conference on Laser Optics, LO-2006, St.Peterburg, 2006;
Х XVIII Всероссийской конференции по физике сегнетоэлектриков, ВКС-18, С.-Петербург, 2008;
Х 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.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснованы актуальность и практическая значимость работы, определена цель диссертации, кратко изложено содержание работы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.
Первая глава посвящена обзору литературы по экспериментальным и теоретическим исследованиям записи изображения в кристаллах ниобата лития, фотовольтаического эффекта, фоторефрактивного рассеяния света, формирования коноскопических фигур в одноосных оптических кристаллах. Рассмотрены различные модели, закономерности и механизмы фотовольтаического и фоторефрактивного эффектов. Дан обзор литературы по проблемам, затронутым в последующих главах. Описаны характерные особенности поляризационных спектров фазовой пластинки и системы фазовых пластинок, а также оптические характеристики фазовой пластинки и возможности управления ими.
Во второй главе представлены экспериментальные результаты по исследованию оптической записи изображения в кристаллах ниобата лития при освещении объектов широкополосным некогерентным излучением.
Голографическая запись информации в кристаллах ниобата лития исследуется достаточно интенсивно и широко с применением лазерного излучения [4, 5]. Возможность использования широкополосного некогерентного излучения для записи информации в литературе только упоминается [4, 5]. И лишь недавно предпринята попытка записи изображения в кристаллах ниобата лития [6].
В параграфе 2.1 рассматриваются экспериментальные схемы для записи оптического изображения. Запись изображения в фоторефрактивном кристалле производится путем проецирования излучения на переднюю грань кристалла в виде изображения объекта или различных световых пятен. Форма светового пятна зада ется либо диафрагмой, установленной непосредственно на пути излучения, либо нанесенной на зеркало репликой определенной формы. В этом случае излучение отражается от зеркала и теневое изображение реплики проецируется на кристалл.
В параграфе 2.2 приведены экспериментальные результаты записи оптического изображения в кристаллах ниобата лития в виде световых полосок, сформированных при помощи диафрагмы.
Свет от лампы накаливания фокусируется с помощью системы объективов так, что фокусное пятно диаметром 15 мм имеет однородную освещенность и падает на входную грань образца. Плотность мощности излучения составляла 0,мВт/мм2. Кристаллы облучались в течение 115 мин. Непосредственно перед кристаллической пластинкой располагалась диафрагма, которая вырезает световую полоску размерами 16 мм2 (рис. 1). Световая полоска ориентируется по отношеPS 2,5 мм а) б) Рис. 1. Запись световой полоски в кристалле LiNbO3:Fe (0,% вес.): а) = 45, б) = 90.
PS - полярная ось кристалла нию к полярной оси кристалла под углами = 0, 30, 45, 60, 90 градусов (ноль градусов соответствует случаю, когда световая полоска параллельна полярной оси кристалла).
Контраст изображения определялся по формуле:
Imax - Imin T = 100%, (1) Imax + Imin где Imax, Imin - значения максимальной и минимальной интенсивностей записанного изображения в кристалле.
В кристаллах ниобата лития с примесью железа производится наиболее контрастная (до 64 %) запись изображения световой полоски (рис. 1). От концентрации железа зависит время записи и ее хранения (до 7 суток в темноте). В номинально чистых кристаллах запись не производится. В кристаллах, легированных ионами рутения (0,3 % вес.), меди (0,05 % вес.) и двойными примесями: железо (0,3 % вес.) с медью (0,01 % вес.), железо (0,3 % вес.) с родием (0,01 % вес.) запись слабо контрастная (Т = 1020 %), но при увеличении времени экспозиции с 5 мин.
до 1015 мин. изображение становится контрастным (Т = 4050 %) и визуально хорошо наблюдается. Только у кристаллов с примесью железа получается контрастная запись (Т = 5060 %) при сравнительно небольшом времени облучения (1мин). В кристаллах ниобата лития с примесью родия (0,05 % вес.) производится запись с долговременной памятью (более 50 суток). Изображение стирается термическим отжигом при температуре 200 С в течение 30 минут.
Наилучшая запись световой полоски (Т = 64 %) получается при угле = 90 и хуже (Т = 42 %) при = 45 (рис. 1, табл. 1).
Визуализация изображения световой полоски производится на просвет методом фазового контраста [2] и в широкоапертурном пучке поляризованного света.
Изображение фотографируется цифровой камерой и обрабатывается с помощью математического пакета mathcad.
При форме световой полоски в виде буквы Г регистрируется только элемент буквы, перпендикулярный полярной оси кристалла (в нашем случае горизонтальная линия буквы параллельна полярной 1 оси кристалла), причем внешняя вертикальная линия буквы записывается полностью до внешней горизонтальной линии, а внутренняя вертикальная линия записываPS ется до внутренней горизонтальной линии (рис. 2). Данный эксперимент и описанные ниже показали, что при проецировании 1 мм длинных световых полосок, ориентированных параллельно полярной оси кристалла запись не производится. Причиной этого, наиболее вероятно, является своеобразная компенсация электрических полей, наводимых светом, внутренними электричеРис. 2. Запись световой полоски в виде скими полями кристалла, стремящимися буквы Г в кристалле LiNbO3:Fe (0,% вес.): PS - полярная ось кристалла; 1 - ослабить внешнее воздействие. Данная внешняя линия буквы; 2 - внутренняя точка зрения хорошо подтверждается ралиния буквы ботой [7].
Механизм переноса электрического заряда в кристаллах ниобата лития преимущественно полевой. Максимальная величина наводимого электрического поля достигается на границах освещенной области кристалла, перпендикулярных его полярной оси. Соответственно в этих областях кристалла за счет электрооптического эффекта происходит максимальное изменение показателя преломления и наибольший набег фаз между обыкновенным и необыкновенным лучами, что и фиксируется методом фазового контраста.
В кристаллах ниобата лития записывается изображение произвольной формы, но при условии наличия градиента освещенности в изображении, направленного вдоль полярной оси кристалла (рис.
3).
2 мм PS При записи изображения, в ряде случаев снимали напряжение с электродов, нанесенных на грани, перпендикулярные полярной оси кристалла.
Рис. 3. Запись слова ЛУЧ в кристалле LiNbO3:Fe (0,3 % вес.);
Для этого используется электростатический вольтPS - полярная ось кристалла метр (Rвх > 1010 Ом). В первоначальный момент наблюдается быстрый рост напряжения на электродах до достижения максимума, после чего плавный спад до некоторой стационарной величины.
При перекрывании излучения наблюдается резкое падение напряжения на величину пироэлектрического заряда, а затем плавный спад по экспоненциальному закону до нуля. Первоначальный быстрый рост напряжения и резкое падение при отключении обусловлены пироэлектрическим эффектом. Плавное падение напряжения до стационарной величины наблюдается при прогреве всего кристалла, то есть исключения влияния пироэлектрического эффекта. Плавный спад напряжения до нуля обусловлен темновой релаксацией электрического заряда.
Экспериментально установлено, что фотоотклик максимален при ориентации световой полоски перпендикулярно полярной оси кристалла и минимален при параллельной ориентации, что соответствует максимальному и минимальному значениям внутренних наведенных электрических полей [8].
В кристаллах ниобата лития с выше приведенными примесями запись изображения происходит за 60100 секунд (Т = 2535 %). При дальнейшем облучении кристалла LiNbO3:Fe (0,3 % вес.) изображение становится более контрастным и за 300350 секунд набирает контраст Т = 64 %. Изображение сохраняется контрастным (Т = 4050 %) при комнатной температуре, в темноте около суток.
Запись изображения также зависит от температуры окружающей среды. При температуре окружающей среды 4085 С изображение записывается в течение 815 минут и сохраняет контрастность Т = 4050 % в течение 3540 часов. Если увеличить температуру до 85 С, то запись изображения осуществляется за 20минут, а при 180 С запись уже не производится, так как при этой температуре наведенная оптическая неоднородность стирается.
В параграфе 2.3 приведены экспериментальные результаты по записи оптического изображения в кристаллах ниобата лития в виде цифр, снежинок и т.п., сформированных при помощи реплики, нанесенной на зеркало.
При формировании изображения в кристаллах LiNbO3:Fe широкополосным некогерентным излучением от лампы накаливания за счет возникновения фотоиндуцированного изменения показателя преломления осуществляется запись изображения нити накаливания лампы. Изменение показателя преломления происходит локально, в области освещения кристаллов (рис. 4 и 5). На рис. 4,а представлено изображение нити накаливания электрической лампы, полученное методом фазового контраста, на рис. 4,б то же самое изображение, полученное поляризационным методом.
Следует отметить, что реплика изображения (рис. 5,а) не полностью записывается в кристалле. Составляющая, параллельная полярной оси кристалла, не записывается и не визуализируется, так как градиент освещенности в этом случае минимальный (рис. 5,б).
Теоретические и экспериментальные результаты показали, что в фоторефрактивных кристаллах возможна запись изображения объектов за счет квадратичной нелинейности кристалла при освещении их некогерентным широкополосным излучением. Это несколько необычный вывод. Казалось бы, за счет множества частотных компонент, фазы фотовольтаических токов меняются хаотически и результирующий фотовольтаический ток должен быть равен нулю, т.е. фотовольтаиче PS а) б) 2 мм Рис. 4. Изображение нити накаливания электрической лампы, записанное в кристалле LiNbO3:Fe (0,3% вес.):
а - полученное методом фазового контраста, б Цполученное поляризационным методом. PS - полярная ось кристалла PS а) б) 1 см 2,5 мм Рис. 5. Изображение реплики в виде снежинки, нанесенной на зеркало:
а - реплика на зеркале; б - изображение реплики, записанное в кристалле LiNbO3:Fe (0,3 % вес.) и воспроизведенное поляризационным методом. PS - полярная ось кристалла ское поле должно быть равно нулю. Эффекта записи быть не должно. Это действительно так, компоненты электрических полей с разными частотами ij к фотовольтаическому эффекту не приводят. Фотовольтаический эффект, а следовательно эффект записи изображения при освещении объектов широкополосным излучением возникает только за счет одинаковых частотных компонент i;
j=i.
В параграфе 2.4 приведены результаты исследований по ориентационнополяризационной зависимости контраста записи изображения нити накаливания в кристаллах ниобата лития с примесями железа 0,3% вес. от поляризации излучения и ориентации световых полосок относительно полярной оси кристалла (табл.
1). Контраст изображения определялся по формуле (1), где максимальная и минимальная интенсивности определялись как средние значения интенсивностей из множества точек взятых из светлых и темных областей изображения нити накаливания с помощью математического пакета mathcad.
Таблица Контраст изображения в зависимости от ориентации световых полосок и вектора Е Ориентация свето- Ориентация вектора Е Контраст изображения вых полосок по отноше- световой волны по отноше- Т, % нию к полярной оси нию к полярной оси кристал- кристалла, град ла, град 90 0 63,90 45 54,90 90 44,45 0 42,45 45 31,45 90 22,0 0 0 45 0 90 Видно, что при параллельной ориентации световых полосок при любом положении вектора Е контраст равен нулю и запись изображения в кристалле не реализуется. Если же полоски перпендикулярны полярной оси кристалла, то контраст максимальный. Запись изображения реализуется. Изменение положения вектора Е при этом приводит лишь к незначительному снижению контраста.
Общий вывод. Запись изображения в фоторефрактивном кристалле при использовании широкополосного излучения реализуется при наличии градиента интенсивности dJ/dz в записывающем пучке в направлении, совпадающим с направлением полярной оси кристалла. Величина n пропорциональна dJ/dz.
При записи изображения в фоторефрактивных кристаллах широкополосным некогерентным излучением отсутствует такой мешающий эффект как фоторефрактивное рассеяние света. Данный эффект всегда присутствует при записи фоторефрактивных решеток (фоторефрактивных голограмм). Это обусловлено тем, что фоторефрактивное рассеяние света является когерентным эффектом и при использовании некогерентного света происходит усреднение различных частотных компонент до нуля.
Третья глава посвящена теоретическим и экспериментальным исследованиям кристаллических пластинок, аналогичных пластинкам, используемым для записи оптического изображения. Приведены характеристики таких пластинок и характеристики излучения, проходящего через пластинки. Для сравнения использовались пластинки из фоторефрактивных кристаллов, например из кристаллов ниобата лития и нефоторефрактивных (кристаллы иодата лития, кальцита, КDР и др.).
В общем случае рассмотрены спектры пропускания системы, состоящей из поляризатора, кристалла (кристаллов) и анализатора, а также определены характери стики поляризованного излучения прошедшего через кристаллическую пластинку (или пластинки). Данные сведения необходимы, в основном, при анализе систем записи изображения с широкополосным излучением в фоторефрактивных кристаллах.
С другой стороны новые сведения об особенностях спектров пропускания, поляризационных характеристиках излучения, возможностью управления этими характеристиками полезны для квантовой и нелинейной оптики и способствуют созданию новых оригинальных оптических приборов.
Следует отметить, что несмотря на многочисленные работы, посвященные поляризационным и спектральным характеристикам плоскопараллельных кристаллических пластинок ряд тонких вопросов в данном направлении не был проработан. Данные новые сведения приведены ниже.
Отметим, что в работах [10-13] и других просматривается основная направленность исследований на определение двулучепреломления (no - ne), дихроизма (ko - ke), то есть в основном на задачи эллипсометрии и поляриметрии. Меньшая часть работ этих и других авторов связана с определением эллиптичности излучения, прошедшего через фазовые пластинки. В работе [13] авторами исследована ориентационная зависимость пропускания системы поляризатор-кристалланализатор, что позволило создать метод определения двулучепреломления и дихроизма кристаллов. В работе [14] наоборот, проведены исследования по оценке величины изменений вносимых полуволновыми и четвертьволновыми фазовыми пластинками в состояние поляризации излучения при их малых коллимационных поворотах.
В параграфе 3.1 показано, что при скрещенных направлениях пропускания поляризатора и анализатора для угла поворота кристаллической пластинки (плоскости главного сечения кристалла) = 45 спектр является линейчатым. Интенсивность света в спектре пропускания зависит от угла поворота плоскости главного сечения кристаллической пластинки относительно направления пропускания поляризатора. Спектр излучения, прошедшего через фазовую пластинку зависит от величин углов , ( - угол поворота анализатора относительно скрещенного направления пропускания поляризатора и анализатора) и может быть линейчатым, сплошным или на фоне сплошного частично линейчатым. При < и > на фоне сплошного спектра наблюдается линейчатый, интенсивность которого меняется в зависимости от соотношения углов и (рис. 6). При = линейчатый спектр исчезает, остается только сплошной спектр.
Такая характерная зависимость интенсивности J выходящего из системы излучения от величины угла позволяет экспериментально устанавливать кристаллическую пластинку в необходимое положение, то есть ориентировать оптическую ось кристалла относительно направления пропускания поляризатора.
Изменяя направление пропускания анализатора (угол ) можно измерить положение оптической оси пластинки (угол поворота ) относительно плоскости пропускания поляризатора, используя равенство = , при котором линейчатый спектр исчезает (остается только сплошной). Например, на рис. 6,а присутствует только линейчатый спектр. Кривая 1 определяет максимальные значения интенсивности сплошного спектра. В случае рис. 6,б присутствует сплошной спектр - кривая 2 определяет его интенсивность - и на фоне сплошного - линейчатый (кри J/J0, отн. ед. J/J0, отн. ед.
0,0,г) 0,0,а) 0,0,0 , град 0 , град 0 15 30 45 60 75 0 15 30 45 60 75 J/J0, отн. ед. J/J0, отн. ед.
0,0,0,5 0,б) д) 0,0,0 , град , град 0 15 30 45 60 75 0 15 30 45 60 75 J/J0, отн. ед.
Рис. 6. Зависимость Jпр от .
1 - Jmax (интенсивность линейча0,того спектра на фоне сплошно0,го); 2 - Jmin (интенсивность в) сплошного спектра); а) = 0; б) 0, = 30; в) = 45; г) = 60; д) = 90 , град 0 15 30 45 60 75 вая 1). Точка = = 30 соответствует исчезновению линейчатого спектра. Отметим, что данные свойства системы позволяют, при необходимости, достаточно точно ориентировать (задавать) положение оптической оси кристаллической пластинки, устранив неточности положения оптической оси в пластинке.
В параграфе 3.2 аналогично работам [10-14] показано, что спектром пропускания системы, состоящей из двух фазовых пластинок можно управлять в значительных пределах при повороте пластинок друг относительно друга (оптические оси остаются в параллельных плоскостях) и относительно направления пропускания поляризатора, а также при вращении анализатора.
Известно, что спектр пропускания двух кристаллических пластинок, размещенных между поляризатором и анализатором соответствует суммарной (d1 + d2) и разностной (d1 - d2) толщинам кристаллических пластинок при параллельном и перпендикулярном ориентировании плоскостей главных сечений пластинок соответственно. Нами обнаружен эффект компенсации влияния одной из пластинок на спектр проходящего излучения. Показано, что эффект компенсации имеет место для = = 45 при = 0 ( - угол между плоскостями главных сечений первой и второй кристаллических пластинок). На рис. 7 показано разбиение луча на обыкновенный и необыкновенный в первой кристаллической пластинке и повторно каждый луч разбивается во второй кристаллической пластинке.
При = = 45 ( = 0) интенсивность излучения при этом равна:
1 2 J = J0 1- cos 1d1, (2) A 2 где J0 - интенсивность излучения при = 0; d1 - толщина первой пластинки; 1 - разность между показателем преломления обыкновенного и необыкновенного лучей кристаллической пластинки; - длина волны.
Для случая трех пластинок спектр пропускания зависит от эффективной толщины всех трех пластинок. Выражение для интенсивности в автореферате не приводится из-за большого объема. Отмечено значительное видоизменение и усложП П Z Е Z1 о Е2 Е е ZЕ о Ее о ЕЕе е Е1 ААЕо ЕZZ Zа) б) Рис. 7. Расположение векторов напряженности в кристаллах: а) в первой пластинке; б) во второй пластинке П - плоскость пропускания поляризатора; А - плоскость пропускания анализатора; А0 - первоначальное положение анализатора; Z1Z1 - оптическая ось первой пластинки; Z2Z2 - оптическая ось второй пластинки нение спектров системы двух, трех и четырех пластинок. Это увеличивает возможности управления спектрами пропускания.
Анализ зависимости интенсивности J прошедшего излучения от разности фаз между обыкновенным и необыкновенным лучами показал, что причиной компенсации спектра второй, третьей или четвертой пластинки является расположение данной пластинки так, что ее плоскость главного сечения параллельна направлению пропускания поляризатора, при перпендикулярном направлении пропускания анализатора. При таком расположении пластинка вносит одинаковый набег фаз в обыкновенный и необыкновенный лучи, результат интерференции которых зависит от величины и определяет пропускание системы.
В параграфе 3.3 выявлены дополнительные возможности управления эллипb тичностью = arctg, где a,b - большая и малая полуоси эллипса поляризации, a 1- tg видом, направлением и степенью поляризации Р = системы, состоящей из 1+ tg поляризатора и фазовой пластинки. Направление поляризации определяется азимутом (угол между оптической осью пластинки и осью эллипса поляризации) или 1 (угол между осью эллипса поляризации и направлением пропускания поляризатора).
Показано, что изменяя угол между плоскостями главных сечений кристаллических пластинок, с заданной разностью фаз, друг относительно друга, можно получить излучение с необходимой степенью поляризации.
Отмечено скачкообразное изменение направления оси эллипса на 90 при = 45. При разности хода, близкой к 90 азимут сначала растет очень медленно (на 2-3), а затем наблюдается резонанс: резкое возрастание угла до 45 (при = 45 и = 90).
Эллиптичность периодически меняется по амплитуде на 45, причем, только при = 45 зависимость () линейная (рис. 8). График на рис. 8 известен из литературы и приводится, так как справедлив для любых фазовых пластинок, рассчитанных для произвольных длин волн излучения.
, град 16 180 270 345 90 10 , град - Ц - Ц - Ц Рис. 8. Зависимость угла эллиптичности от разности фаз при различных углах поворота пластинки:
углы , градусы: 1 - 10; 2 - 20; 3 - 30; 4 - Зависимость 1 от носит практически периодический характер при изменении разности фаз от 0 до 90. В области = 45 и 90 угол 1 скачком увеличивается на 90 и продолжает линейно возрастать до 180 при увеличении угла .
Графики (рис. 8 и рис. 9) являются своеобразным паспортом кристаллической пластинки, позволяя управлять эллиптичностью и степенью поляризации с помощью пластинки произвольной толщины (заданном значении ).
Рассмотрен характер зависимости , 1 и Р от в области 150-210. Особенностью является некритичность поворота большой оси эллипса поляризации при повороте пластинки на угол . С высокой точностью большая ось эллипса поворачивается на угол 2 при значительных отклонениях разности фаз относительно 180. График зависимости азимута 1 эллипса поляризации от угла практически не изменяется для любого из интервала 150-210. Такая зависимость может Р 0,, град 0 45 90 135 180 225 2Рис. 9. Кривые зависимости степени поляризации от разности фаз при различных углах поворота кристаллической пластинки относительно направления пропускания поляризатора.
Значения угла , градусы: 1 - 20 и 70; 2 - 30 и 60; 3 - быть использована для задания направления большой оси эллипса с высокой точностью, так как зависимость линейная.
В параграфе 3.4 показаны возможности управления оптическими характеристиками немонохроматического излучения, прошедшего через систему пластинок.
Рассчитаны зависимости эллиптичности , азимута эллипсов поляризации и = 44,9 = 45,1 , J, , J, 3 2 , мкм , мкм 0,60,606 0,61 0,602 0,606 0,б) а) Рис. 10. Зависимость азимута эллипса поляризации (1), эллиптичности (2) и интенсивности излучения J (3) от длины волны (поляризатор и анализатор скрещены):
Пластинка толщиной 2 мм из кристалла ниобата лития интенсивности J от длины волны излучения. Все указанные величины периодически изменяются с изменением длины волны.
Характерно, что вблизи = 45 (для одной фазовой пластинки) азимут эллипса поляризации сохраняет свою ориентацию относительно оптической оси пластинки на определенном участке длин волн. На определенных длинах волн происходит скачок - изменение угла на противоположный, что соответствует изменению направления поляризации (рис. 10).
Независимо от значений , максимумы и минимумы интенсивности соответствуют одним и тем же длинам волн, то есть их положение не зависит от и . Но интенсивность прошедшего излучения (в максимуме) определяется величиной угла .
Зависимость J() является эталонной и позволяет определить поляризационные характеристики прошедшего излучения. Соединив данную пластинку с монохроматором, можно получить излучение с необходимой степенью поляризации.
В параграфе 3.5 рассматривается применение параметрических уравнений колебаний вектора напряженности электрического поля световой волны, прошедшего через фазовую пластинку, для получения поляризационных характеристик излучения (эллиптичности, степени поляризации).
Параметрический метод является более удобным и наглядным по сравнению с П ZZРис. 11. Эллипсы поляризации для двух фазовых пластинок:
Угол поворота первой пластинки относительно направления пропускания поляризатора =45; угол поворота второй пластинки относительно первой 1=30.
Кривые: 1 - 1=2=30; 2 - 1=30, 2=60; 3 - 1=30, 2=90 другими, особенно, когда рассматривается система, состоящая из двух и более пластинок. Построенный с помощью параметрических уравнений эллипс поляризации позволяет сравнительно легко определять параметры поляризации прошедшего через систему излучения (рис. 11).
В случае двух кристаллических пластинок напряженности электрических полей световых волн на выходе из системы пластинок:
Е1 = Еее cost = Е0 cos cos1 cost, Е2 = Еео cos(t + 2)= Е0 cossin 1 cos(t + 2),, (3) Е3 = -Еое cos(t + 1)= -Е0 sin sin 1 cos(t + 1), Е4 = Еоо cos(t + 1 + 2)= Е0 sin cos1 cos(t + 1 + 2) где Е0 - амплитуда напряженности электрического поля световой волны, - угол между направлением пропускания поляризатора и плоскостью главного сечения первой кристаллической пластинки, 1 - угол между плоскостями главных сечений первой и второй кристаллических пластинок, 1, 2 - разность фаз между обыкновенным и необыкновенным лучами первой и второй кристаллических пластинок соответственно, - частота, t - время.
Положение конца вектора Е на эллипсе поляризации в каждый момент времени задается точкой (Е1, Е2, Е3, Е4). Для построения эллипса поляризации задаем значения параметра t, изменяющегося в пределах от 0 до 2, , 1, 1, 2 и вычисляем значения Е1, Е2, Е3, Е4. Алгебраически складываем Е1, Е3 и Е2, Е4, по полученным точкам строим кривую - эллипс поляризации в системе координат (Z2, X2).
Построенный таким образом эллипс (рис. 11) позволяет определить угол эллиптичности через отношение его полуосей, угол наклона эллипса к оптической оси пластинки или к направлению пропускания поляризатора (азимут), степень поляризации излучения.
В четвертой главе описывается нетрадиционный коноскопический метод исследования оптических кристаллов. В отличие от классической схемы для наблюдения коноскопических картин кристаллов используются широкоапертурные слаборасходящиеся пучки света.
В параграфе 4.1 представлен коноскопический метод исследования кристаллов. Описана установка для наблюдения коноскопических картин оптических кристаллов в широкоапертурном слаборасходящемся пучке света. В зависимости от ориентации кристалла в оптической схеме получены необычные коноскопические картины в виде колец, эллипсов, параллельных полос (рис. 12).
На вид интерференционных линий (изогир и изохор) влияют внешние электрические и тепловые поля. При наличии градиента электрического или теплового поля коноскопическая картина деформируется: появляется изгиб интерференционных линий по направлению приложенного электрического или теплового поля.
Скорость движения интерференционных линий зависит от величины градиента электрического или теплового полей.
а) б) Рис. 12. Коноскопические картины кристалла KDP в широкоапертурном пучке: а - пучок распространяется вдоль оси x; б - пучок распространяется вдоль оси y. Размеры кристалла: xyz соответственно 12,812,88 ммВ параграфе 4.2 представлены экспериментальные результаты коноскопического метода исследования качества оптических кристаллов на наличие оптических неоднородностей (рис. 13) с использованием широкоапертурного слаборасходящегося пучка света. Предварительно наведенные оптические неоднородности достаточно быстро образуются при облучении фоторефрактивных кристаллов и медленно релаксируют. На рис. 13 приведены картины кристалла ниобата лития с примесью железа до облучения лазерным излучением ( = 0,6328 мкм, Р = 20 мВт) и после облучения.
а) б) Рис. 13. Коноскопические картины кристалла LiNbO3:Fe в широкоапертурном пучке: а - без наведенных оптических неоднородностей; б - с наведенными оптическими неоднородностями В параграфе 4.3 описываются коноскопические фигуры в виде параллельных прямых полос (линий), заполняющих на экране изображение кристалла (рис. 14).
Число линий и расстояние между ними зависят от толщины кристалла. Главная особенность этих картин - чередующиеся темные и светлые полосы. Оптическая ось кристалла составляет определенный угол с плоскостью пластинки. Проекция оптической оси на плоскость пластинки перпендикулярна темным и светлым полосам.
Если имеется значительное число плоскопараллельных пучков, падающих вблизи нормали к поверхности кристалла в небольшом угловом интервале, то возможно два следующих варианта.
1. Толщина кристалла d достаточно велика, ~ dn/cos, где n = no - ne;
cos cosо cosе. Полагая, что в первом приближении малых углов преломления n const и, учитывая, что для наблюдения минимумов в интерференционной картине, должно быть равно N/2 (N = 1,2,3,...), получаем на экране совокупность минимумов - черных концентрических окружностей. Если при увеличении угла происходит небольшое изменение n, то появляются концентрические темные эллипсы.
2. Если же d достаточно мало и d/cos const, то значительно больше сказываются изменения в величине n наибольшие в плоскости, содержащей оптическую ось кристалла. В этом случае получаем совокупность черных и светлых полос.
Рис. 14. Коноскопическая картина LiNbO3:Cu (0,3 % вес.) толщиной 1,94 мм в слаборасходящихся пучках света.
Плоскость главного сечения кристалла составляет угол = 45 с плоскостью пропускания поляризатора В параграфе 4.4 рассматривается интерференция коноскопических картин в слаборасходящихся пучках света от двух плоскопараллельных одноосных оптических кристаллических пластинок. Оптическая ось кристалла расположена под некоторым углом к плоскости входной грани пластинки.
Для исследования интерференции коноскопических картин в слаборасходящихся пучках света от двух плоскопараллельных одноосных кристаллических пластинок используются кристаллы LiNbO3:Сu (0,3 % вес.) толщиной 1,94 мм и LiNbO3:Ru (0,3 % вес.) толщиной 1,36 мм. При вращении одного из кристаллов вокруг оси светового пучка интерференционная картина трансформируется, получаются параллельные полосы, прерывистые наклонные штрихи. Расстояние между интерференционными полосами изменяется в зависимости от изменения угла между оптическими осями кристаллов (рис. 15).
Предложена векторная модель интерференции коноскопических картин. Введены для каждого кристалла волновые векторы коноскопической картины r r k1 = 2 / 1 и k2 = 2 / 2, где 1 и 2 расстояние между максимумами интенсивности соседних интерференционных полос. Рассматриваемые векторы направлены перпендикулярно интерференционным полосам. По коноскопическим картинам от r каждого кристалла определяем значения 1 и 2. Волновой вектор k3 = 2 / 3, где 3 расстояние между максимумами интенсивности соседних интерференционных полос суммарной интерференционной картины определим как сумму волновых r r r векторов каждой картины, то есть k3 = k1 + k2,что является своеобразным законом сложения в векторной форме интерференционных коноскопических картин.
r Модуль вектора k3 находим по теореме косинусов:
2 2 k3 = k1 + k2 - 2k1k2 cos(180 - ). (4) а) б) Рис. 15. Интерференция двух коноскопив) ческих картин в слаборасходящихся пучках света.
Кристаллы LiNbO3:Ru (0,3 % вес.) толщиной 1,36 мм и LiNbO3:Cu (0,3 % вес.) толщиной 1,94 мм.
Проекции оптических осей на плоскость кристаллических пластинок составляют между собой угол , градусы: а) 90, б) 0, в) По виду интерференционной картины можно производить оценку структуры световых пучков. Использование второй кристаллической пластинки с одной стороны усложняет суммарную коноскопическую картину, а с другой стороны дает возможность формирования различного вида интерференционных картин (структуры световых пучков, выходящих из системы двух кристаллов).
В пятой главе приведены экспериментальные результаты по исследованию особенностей фотовольтаического эффекта в кристаллах ниобата лития.
В параграфе 5.1 показано, что фотовольтаический отклик возможен с немонохроматическим излучением.
Фотовольтаический ток Ii в кристалле ниобата лития [4, 5] обусловлен в основном наибольшей компонентой ijk, когда поля Ej, Ek и ток Ii направлены вдоль полярной оси Z. Полагая, что E = E0 j sin(t - kz + 1); Ek = E0k sin(t - kz + 2) и j обычно используется когерентное лазерное излучение, поэтому 2 - 1 = 0, а значит, вдоль оси Z возникает фотовольтаический ток Iz = zzz E0z. (5) В случае некогерентного излучения, казалось бы величина (2 - 1) меняется хаотическим образом во времени и среднее значение cos(2 - 1) = 0. То есть для некогерентного, тем более немонохроматического излучения фотовольтаический эффект должен отсутствовать.
Однако, в эксперименте, при использовании немонохроматического излучения фотовольтаический эффект наблюдается, возникает также фоторефрактивный эффект и возможна запись изображения в фоторефрактивных кристаллах.
Суммируя вклад всех частотных компонент широкого спектра в результирующий фотовольтаический ток Iрез, получим )cos[( -k)t + -k]d + 0 j j j E (k )E0( ; k j I = , (6) рез )cos[( -k)t + -k]d + j j j E (k )E0( ; =k j где j и k - две частотные компоненты широкого спектра излучения, которое посылается в кристалл. Ширина спектра . Первый член в (7) записан для частотных компонент j k, которые между собой не когерентны, а поэтому интеграл равен нулю. Во втором случае j = k, то есть, обусловлен одной и той же компонентой широкого спектра и интеграл отличен от нуля I = E0 const. (7) рез Если при генерации в кристаллах оптических гармоник и суммарных частот широкополосным излучением дают вклад вторая гармоника (j = k) и суммарные частоты (j k), то для фотовольтаического эффекта существенен только вклад одинаковых частотных компонент (j = k), когерентных между собой. Из (7) видно, что величина постоянной (const) пропорциональна ширине спектра , используемого излучения (полагаем, что частотные компоненты спектра одинаковой интенсивности).
Перекрестные частотные компоненты широкого спектра вклада в фотовольтаический эффект не дают из-за их совместной некогерентности. Фотовольтаический отклик пропорционален ширине спектра используемого излучения.
Значительный вклад в фотоотклик дает пироэлектрический эффект. При регистрации стационарного фотоотклика роль пироэлектрического эффекта сводится к нулю.
В параграфе 5.2 получены зависимости фотовольтаического напряжения от времени для кристаллов ниобата лития легированных Ru (0,3% вес.) и Fe (0,050,3% вес.) с использованием некогерентного широкополосного излучения. В качестве источника излучения используется лампа накаливания. Плотность мощности падающего излучения на входную грань кристалла около 0,5 мВт/мм2. Пучок света направляется перпендикулярно полярной оси кристалла. Напряжение снимается с серебряных электродов, напыленных на грани кристалла, перпендикулярных его полярной оси. Приведены спектральные характеристики.
Зависимость фотонапряжения от времени с некогерентным источником света идентична зависимости для когерентного источника (лазера). Фотовольтаический эффект наиболее ярко проявляется при длинах волн, соответствующих активному свету, что соответствует работам других авторов [4, 6, 8].
В параграфе 5.3 обсуждается вопрос о влиянии электрических полей на фотовольтаический эффект. Показано, что предварительно наведенные электрические поля изменяют вид кривой зависимости напряжения от времени при последующем облучении кристалла (рис. 16). Первоначально происходит компенсация предварительно наведенного электрического поля, а затем плавный рост напряжения до насыщения.
U, В t, мин 0 50 100 150 2Рис. 16. Влияние предварительно наведенного электрического поля на кривую фотовольтаического эффекта Если нелегированный кристалл ниобата лития, который предварительно облучить (больше 20 минут) широкополосным некогерентным излучением, то есть создать в нем внутреннее электрическое поле, и затем электроды кристалла закоротить между собой (непродолжительное время ~ 15 мин.), то после замыкания электродов на входную емкость вольтметра напряжение возрастает (без облучения) по такому же закону, как и при облучении (рис. 17). Происходит накопление заряда на гранях кристалла, перпендикулярных его полярной оси, величина которого соответствует величине напряжения.
U, В t, мин 0 5 10 15 20 25 Рис. 17. Зависимость напряжения от времени при последовательном замыкании электродов без облучения.
1 - первое замыкание в течении 1 минуты; 2 - второе замыкание на 5 минут; 3 - третье замыкание на 5 минут В шестой главе представлены экспериментальные и теоретические результаты исследования фоторефрактивного рассеяния лазерного излучения в легированных кристаллах ниобата лития.
В параграфе 6.1 описано кольцевое фотоиндуцированное рассеяние света при облучении чистых и легированных железом кристаллов ниобата лития лазерным излучением в направлении, перпендикулярном оптической оси кристалла. Данное рассеяние имеет место в направлении как отраженных, так и прошедших лучей накачки. Структура и кинетика данного типа фоторефрактивного рассеяния позволяют предположить необходимость выполнения условий фазового синхронизма при векторном взаимодействии волн накачки и рассеянного света.
В параграфе 6.2 рассмотрены некоторые особенности фоторефрактивного рассеяния света в кристаллах ниобата лития при маломощной лазерной накачке (порядка 1 мВт) в зависимости от многократного термического отжига кристалла.
Когда угол между вектором напряженности электрического поля световой волны Е и полярной осью кристалла равен нулю (взаимодействие ее - типа), происходит вытягивание (значительное увеличение размеров) на экране лепестков восьмерки вдоль полярной оси кристалла. Отклонение рассеянных лучей в этом случае достигает 7080 градусов. Если же вектор Е перпендикулярен полярной оси кристалла, рассеяние (оо - типа) выражено значительно слабее (угол раскрытия лепестков восьмерки составляет 510 градусов).
Время облучения с неполяризованным лазерным излучением до полного раскрытия лепестков восьмерки составляет примерно 15 минут при первоначальном облучении. При повторных облучениях и последовательных отжигах время до полного раскрытия лепестков восьмерки увеличивается до 85 минут.
На рис. 18 представлены картины развития центральных пятен ФРРС, соответPs 1 3 а) в) б) 0,1 Рис. 18. Кинетика развития центрального пятна ФРРС в кристалле LiNbO3:Fe (0,% вес.).
Излучение: а) неполяризованное, Р = 2 мВт; б) неполяризованное, Р = 2 мВт, после многократного отжига кристалла; в) поляризованное, Р = 1 мВт, вектор Е параллелен полярной оси кристалла, после многократного отжига кристалла.
Время облучения, секунды: 1 - 30; 2 - 2400; 3 - 54 ствующих проходящему через кристалл световому лучу. С неполяризованным лазерным излучением, центральное пятно картины ФРРС вытягивается вдоль полярной оси кристалла. Внутри пятна наблюдается определенная структура (рис.
18,а,б). В течение облучения происходят пульсации центрального пятна. При этом пятно постоянно увеличивается в размерах до насыщения. После многократного термического отжига (при температуре 200 С) в течение 30 минут фоторефрактивные свойства кристалла несколько ослабевают (рис. 18). Вероятно, увеличивается темновая проводимость кристалла и электроны не могут закрепиться на ловушках, которые расположены на периферии светового пятна. Проявляется эффект термической усталости кристалла. Этот эффект наблюдается по форме центрального пятна фоторефрактивного рассеяния света при выходе на насыщение.
Изменяются размеры и структура центрального пятна ФРРС.
В параграфе 6.3 показано, что при облучении кристаллов LiNbO3:Rh происходит периодическая перекачка излучения из центрального пятна в рассеянное обусловленная видом примеси. Рассматривается влияние внешних и внутренних электрических полей на кинетику и форму фоторефрактивного рассеяния света в кристаллах LiNbO3:Fe.
В параграфе 6.4 рассматривается моделирование индикатрисы ФРРС. Численное моделирование показывает, что на основе предложенной модели индикатриса ФРРС повторяет форму восьмерки, ориентированной параллельно полярной оси кристалла. Приведены результаты экспериментального исследования кинетики фоторефрактивного рассеяния света в направлении прошедших лучей в кристаллах ниобата лития, легированных железом и родием, при различных интенсивностях пучка накачки. Рассматривается возможность определения величины фотопроводимости кристаллов ниобата лития, легированных фоторефрактивными примесями по времени достижения интенсивности ФРРС максимума.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 1. Возможны ФВЭ и запись изображения в фоторефрактивных кристаллах с немонохроматическим излучением за счет вклада одинаковых частотных компонент широкого спектра. Запись оптического изображения в легированных кристаллах ниобата лития осуществляется при наличии градиента в распределении освещенности. Контраст записи и время хранения изображения в легированных кристаллах ниобата лития зависят от рода и концентрации легирующей примеси, ориентации изображения объекта относительно полярной оси кристалла и типа поляризации излучения.
2. Детально исследованы спектры пропускания широкополосного излучения, прошедшего через фазовые пластинки, изготовленные из кристаллов ниобата лития, КDР, кальцита. Выявлено существование характерной точки перехода линейчатого спектра в сплошной.
3. Показано, что при повороте одной пластинки относительно другой на угол = при скрещенных направлениях пропускания поляризатора и анализатора наблюдается эффект компенсации: в интерференционной картине присутствует спектр только одной пластинки. Данный эффект наблюдается и в случае системы трех и четырех пластинок. Объяснена причина эффекта компенсации.
4. Выявлена зависимость оптических характеристик излучения, прошедшего через фазовую пластинку от разности фаз между обыкновенным и необыкновенным лучами и угла поворота пластинки относительно направления пропускания поляризатора. Показано, что данные зависимости можно использовать для управления поляризационными характеристиками с помощью фазовых пластинок произвольной толщины. Предложен метод определения поляризационных характеристик излучения, прошедшего через систему кристаллических пластинок, основанный на применении параметрических уравнений эллипса поляризации.
5. Интерференция нетрадиционных коноскопических картин от двух кристаллических пластинок происходит в слаборасходящихся пучках световых лучей.
Расстояние между интерференционными полосами в коноскопической картине определяется эффективной толщиной пластинки.
6. После многократной термической обработки легированных кристаллов ниобата лития при температуре 200 0С в фоторефрактивном рассеянии света проявляется эффект термической усталости.
7. Показано, что при облучении кристаллов LiNbO3:Rh происходит периодическая перекачка излучения из центрального пятна в рассеянное обусловленная видом примеси.
ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА 1. Гурзадян, Г.Г. Нелинейно-оптические кристаллы. Свойства и применение в квантовой электронике / Г.Г. Гурзадян, В.Г. Дмитриев, Д.Н. Никогосян. - М.: Радио и связь, 1991. - 160 с.
2. Бережной, А.А. Электрооптические модуляторы и затворы / А.А. Бережной // Оптический журнал. - 1999. - № 7. - С. 3-19.
3. Мустель, Е.Р. Методы модуляции и сканирования света / Е.Р. Мустель, В.Н.
Парыгин. - М: Наука, 1970. - 295 с.
4. Петров, М.П. Фоторефрактивные кристаллы в когерентной оптике / М.П. Петров, С.И. Степанов, А.В. Хоменко. - СПб.: Наука, 1992. - 320 с.
5. Ниобат лития: дефекты, фоторефракция, колебательный спектр, поляритоны. / Н.В. Сидоров, Т.Р. Волк, Б.Н. Маврин, В.Т. Калинников. - М.: Наука, 2003. - 255 с.
6. Incoherent one beam recording in LiNbO3 / Jung-Ping Liu, Tsung-Hsun Yang, Hon-Fai Yau and Hsiao-Yi Lee // Optics Communications. - 2007. - Vol. 276. - iss. 1.
Ц P. 67-71.
7. Спекл-структура излучения, рассеянного фоторефрактивным кристаллом / Ю.М. Карпец, В.И. Строганов, Н.В. Марченков, А.В. Емельяненко // Оптика и спектроскопия. - 1989. - Т. 67. - № 4. - С. 982-985.
8. Электрические поля при фоторефракции в кристалле LiNbO3:Fe / Т.Р. Волк, А.В. Гинзберг, В.И. Ковалевич, Л.А. Шувалов // Известия АН СССР, сер. физ. - 1977. - Т. 41. - № 4. - С. 783-787.
9. Thermal fixation of the photorefractive holograms recorded in lithium niobate and related crystals / T. Volk, M. Wohlecke // Critical Reviewers in Solid State and Materials Sciences. - 2005. - Vol. 30. - iss.3. - P. 125-151.
10. Хасанов, Т. Определение параметров фазосдвигающих пластинок / Т. Хасанов // Кристаллография. - 1992. - Т. 37. - № 2. - С. 1041-1045.
11. Абен, Х.К. К теории составной пластинки в четверть волны / Х.К. Абен // Оптика и спектроскопия. - 1962. - Т. 13. - № 5. - С. 746-750.
12. Абен, Х.К. Некоторые задачи суперпозиции двух двупреломляющих пластинок / Х.К. Абен // Оптика и спектроскопия. - 1963. - Т. 15. - № 5. - С. 682-689.
13. Исследование ориентационной зависимости пропускания системы поляризатор-кристалл-анализатор / А.Ф. Константинова, А.Н. Степанов, Б.Н. Гречушников, И.Т. Улуханов // Кристаллография. - 1990. - Т. 35. - № 2. - С. 429-432.
14. Влияние поворотов линейных фазовых пластинок на состояние поляризации излучения / А.В. Витязев, В.А. Демченко, В.В. Коротаев // Оптический журнал. - 1998. - Т. 65. - № 1. - С. 34-37.
СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 1. Сюй, А.В. Применение теневого метода при исследовании фоторефрактивного эффекта / А.В. Сюй, Ю.М. Карпец // Межвузовский сборник научных трудов.
Нелинейные процессы в оптике. - Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 1999. - С. 23-29.
2. Сюй, А.В. Исследование фотовольтаического эффекта в нелегированных кристаллах ниобата лития / А.В. Сюй, Ю.М. Карпец, Н.В. Марченков // Межвузовский сборник научных трудов. "Нелинейные процессы в оптике". - Хабаровск:
Изд-во ДВГУПС, 1999. - С. 29-32.
3. Карпец, Ю.М. Коноскопические фигуры нового вида / Ю.М. Карпец, В.И.
Строганов, А.В. Сюй // Межвузовский сборник научных трудов Нелинейная оптика. - Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2000. - С. 57-60.
4. Сюй, А.В. Фотовольтаический эффект в легированных кристаллах ниобата лития / А.В. Сюй, Ю.М. Карпец, В.И. Строганов // Бюллетень научных сообщений №5. - Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2000. - С. 45-49.
5. Карпец, Ю.М. Фотовольтаический и фоторефрактивный эффекты в легированных и нелегированных кристаллах LiNbO3 / Ю.М. Карпец, В.А. Максименко, С.А. Ковалев, А.В. Сюй // Сборник научных трудов Нелинейные свойства оптических сред. - Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2001. - С. 42-49.
6. Карпец, Ю.М. Особенности автоволнового фотоиндуцированного рассеяния света в кристалле LiNbO3:Fe / Ю.М. Карпец, В.А. Максименко, А.Ю. Сетейкин, О.В. Скоблецкая, В.И. Строганов, А.В. Сюй // Вестник Амурского государственного университета. - Благовещенск: Изд-во АмГУ, 2001. - вып. 15. - С. 55-56, 7. Кольцевые структуры при фоторефрактивном рассеянии света в кристалле LiNbO3:Fe / В.А. Максименко, Ю.М. Карпец, В.И. Строганов, О.В. Скоблецкая, А.В. Сюй // Оптика и Спектроскопия. - 2001. - Т. 91. - № 6. - С. 907-908.
8. Криштоп, В.В. Внешнее неоднородное тепловое стимулирование оптической активности в негиротропном кристалле ниобата лития / В.В. Криштоп, А.В.
Сюй // Труды III Международной конференции Радиационно-термические эффекты и процессы в неорганических материалах. - Томск: Изд-во ТПУ, 2002. - С.
114-115.
9. Сюй, А.В. Проявление эффекта термической усталости в кристаллах LiNbO3:Fe / А.В. Сюй, В.В. Лихтин, В.И. Строганов // Труды IV Международной научной конференции Радиационно-термические эффекты и процессы в неорганических материалах. - Томск: Изд-во ТПУ, 2004. - С. 82-84.
10. Карпец Ю.М., Максименко В.А., Сюй А.В. Нетрадиционные коноскопические фигуры в слаборасходящихся широкоапертурных пучках // Электронный журнал Исследовано в России. - 261. - С. 2804-2808. - 2004. - 11. Stroganov, V.I. Manifestation of the thermal fatigue effect in LiNbO3:Fe crystal / V.I. Stroganov, A.V. Syuy, V.V. Lihtin // Proceedings of SPIE Vol. 5851, Р. 51-53, 2005 Fundamental Problems of Optoelectronics and Microelectronics II. Editor(s): Yuri N. Kulchin, Oleg B. Vitrik, Vladimir I. Stroganov 470 pages.
12. Патент РФ № 2004116031/28 G02F1/00. Электрооптический модулятор / В.И. Строганов, Е.В. Толстов, В.В. Криштоп, И.В. Рапопорт, М.Н. Литвинова, А.В.
Сюй (РФ). Опубл. 2005.11.10. Приоритет от 25.05.2004.
13. Сюй, А.В. Фотовольтаический эффект в LiNbO3:Fe (0,3 %) от некогерентного широкополосного излучения / А.В. Сюй, В.И. Строганов, В.В. Лихтин // Труды 9 конференции студентов, аспирантов и молодых ученых ПДиММ-2005, Владивосток, 2005. - С. 261-265.
14. Сюй, А.В. Фотовольтаический эффект в кристаллах LiNbO3:Fe (0,3 %) / А.В.
Сюй, В.В. Лихтин, В.И. Строганов // Бюллетень научных сообщений №10. - Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2005. - C. 70-74.
15. Максименко В.А., Карпец Ю.М., Данилова Е.В., Сюй А.В. Особенности индикатрисы фоторефрактивного рассеяния света в кристаллах // Электронный журнал Исследовано в России. - 063. - С. 624-628. - 2006. -
16. Экспресс-анализ диффузных оптических изображений / В.В. Криштоп, В.Г.
Ефременко, Ман Нен Литвинова, А.В. Ли, В.И. Строганов, А.В. Сюй, В.А. Максименко // Изв. ВУЗов. Приборостроение. - 2006. - Т. 49. - № 8.Ц С. 21-23.
17. Поляризационный метод управления спектром пропускания плоскопараллельной кристаллической пластинки / А.В. Сюй, Н.А. Кравцова, В.И. Строганов, В.В. Лихтин, В.В. Криштоп, В.А. Максименко // Изв. ВУЗов. Приборостроение. - 2006. - Т. 49. - № 12. - С. 53-55.
18. Определение оптической неоднородности кристаллов по последовательности коноскопических фигур / В.В. Криштоп, М.Н. Литвинова, В.Г. Ефременко, В.И. Строганов, А.В. Сюй, А.В. Денисов, О.С. Грунский // Оптический журнал. - 2006. - Т. 73. - № 12.Ц С. 84-86.
19. Ориентационная зависимость пропускания системы поляризатор-кристаллкристалл-анализатор / А.В. Сюй, Н.А. Кравцова, В.И. Строганов, В.В. Криштоп // Оптический журнал. - 2007. - Т. 74. - № 7. - С. 33-36.
20. Фоторефрактивное рассеяние излучения гелий-неонового лазера в кристаллах ниобата лития / А.В. Сюй, В.И. Строганов, В.В. Лихтин // Оптический журнал. - 2007. - Т. 74. - № 5. - С. 79-81.
21. Градиентная запись изображения в кристаллах ниобата лития / А.В. Сюй, В.И. Строганов, В.В. Лихтин // Оптический журнал. - 2007. - Т. 74. - № 6. - С.
17-19.
22. Анализ индикатрисы фотоиндуцированного рассеяния света в кристаллах ниобата лития / Е.В. Данилова, В.А. Максименко, А.В. Сюй, В.В. Криштоп // Изв.
ВУЗов. Приборостроение. - 2007. - Т. 50. - № 10. - С. 64-66.
23. Преобразование инфракрасного излучения с ультрафиолетовой широкополосной накачкой / В.В. Криштоп, Е.В. Толстов, В.Г. Ефременко, А.В. Сюй, В.И.
Строганов // Изв. ВУЗов. Физика. Приложение - 2007. - Т. 50. - № 2.Ц С. 92-93.
24. Особенности преобразования инфракрасного излучения с широкополосной накачкой в нелинейно-оптических кристаллах / В.В. Криштоп, Е.В. Толстов, В.И.
Строганов, А.В. Сюй // Оптический журнал. - 2007. - Т. 74. - № 4. - С. 24-26.
25. Запись и считывание некогерентного изображения в полярных кристаллах / А.В. Сюй, В.И. Строганов, В.А. Максименко, В.В. Лихтин // Изв. ВУЗов. Приборостроение. - 2007. - Т. 50. - № 9. - С. 12-15.
26. Определение фотопроводимости легированных кристаллов ниобата лития по фотоиндуцированному рассеянию света / В.А. Максименко, Е.В. Данилова, А.В. Сюй // Изв. ВУЗов. Приборостроение. - 2007. - Т. 50. - № 9. - С. 28-30.
27. Патент РФ № 2006117268/28 (018811) 8 G01J 5/58 Координатночувствительный приемник излучения / А.В. Сюй, Г.Г. Здоровцев, В.И. Иванов, С.В. Климентьев, В.В. Криштоп (РФ) Опубл. 25.07.2007. Приоритет от 19.05.2006.
28. Syuy, A.V. Conoscopic methods of optic crystal research / A.V. Syuy, V.I. Stroganov, V.V. Krishtop, V.V. Lihtin // Proceedings of SPIE Vol. 6595, 2007 Fundamental Problems of Optoelectronics and Microelectronics III. Editor(s): Yuri N. Kulchin, Jinping Ou, Oleg B. Vitrik, Zhi Zhou. 65950E.
29. Krishtop, V.V. The spectrum of up-converted broadband radiation in nonlinear optical crystals / V.V. Krishtop, V.G. Efremenko, M.N. Litvinova, A.V. Syuy, V.I. Stroganov, E.V. Tolstov // Proceedings of SPIE Vol. 6610, 2007 Laser Optics 2006: Solid State Lasers and Nonlinear Frequency Conversion. Editor(s): Vladimir I. Ustyugov.
66100T.
30. Maksimenko, V.A. Calculation of the selective photorefraction light scattering indicatrix in Rh-doped LiNbO3 crystals / V.A. Maksimenko, E.V. Danilova, A.V. Syuy // Proceedings of SPIE Vol. 6613, 2007 Laser Optics 2006: Wavefront Transformation and Laser Beam Control. Editor(s): Leonid N. Soms. 66130F.
31. Syuy, A.V. Peculiar properties of polarized transmission spectrums of crystal plates / A.V. Syuy, N.A. Kravtsova, V.I. Stroganov, V.V. Lihtin, V.V. Krishtop, V.A.
Maksimenko // Proceedings of SPIE Vol. 6613, 2007 Laser Optics 2006: Wavefront Transformation and Laser Beam Control. Editor(s): Leonid N. Soms. 661309.
32. Строганов, В.И. Оптические элементы из анизотропных кристаллов для фотоники и информационной оптики / В.И. Строганов, П.С. Андреев, Д.А. Кузнецов, В.В. Криштоп, М.Н. Литвинова, И.С. Филиппова, А.В. Сюй, О.Ю. Пикуль, В.А.
ебедев, Н.А. Кравцова // Научная сессия МИФИ-2007. Сборник научных трудов.
В 17 томах. Т. 15. Физика твердого тела. Фотоника и информационная оптика. - М.: Изд-во МИФИ, 2007. - С. 82-84.
33. Сюй, А.В. Фотовольтаический эффект в кристаллах ниобата лития от некогерентного широкополосного излучения / А.В. Сюй, В.И. Строганов, В.В. Лихтин // Труды V Международной конференции молодых ученых и специалистов Оптика-2007 - С.-Петербург, 2007. - С. 84-85.
34. Сюй, А.В. Влияние электрических полей на процессы фоторефрактивного рассеяния света в кристаллах ниобата лития / А.В. Сюй, В.В. Строганов, В.В. Лихтин, В.В. Максименко // Бюллетень научных сообщений №12. - Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2007. - C. 47-50.
35. Сюй, А.В. Степень поляризации излучения, прошедшего через полуволновую пластинку при изменении ее толщины / А.В. Сюй, Н.А. Кравцова, В.И. Строганов // Труды V Международной конференции молодых ученых и специалистов Оптика-2007. - С.-Петербург, 2007. - С. 198-199.
36. Сюй, А.В. Поляризационные характеристики излучения, прошедшего через систему кристаллических пластинок / А.В. Сюй, Н.А. Кравцова, В.И. Строганов // Труды V Международной конференции молодых ученых и специалистов Оптика2007. - С.-Петербург, 2007. - С. 200-201.
37. Максименко, В.А. Фотоиндуцированные процессы в кристаллах ниобата лития / В.А. Максименко, А.В. Сюй, Ю.М. Карпец. - М.: Физматлит, 2008. - 96 с.
38. Влияние широкополосного некогерентного излучения на фотоотклик в кристаллах ниобата лития / А.В. Сюй, В.И. Строганов, В.В. Криштоп, В.В. Лихтин // Оптика и спектроскопия. - 2008. - Т. 104. - № 1. - С. 140-143.
39. Сюй, А.В. Параметрический метод построения эллипса поляризации излучения / А.В. Сюй, Н.А. Кравцова, В.И. Строганов, В.В. Криштоп // Изв. ВУЗов.
Приборостроение. - 2008. - Т. 51. - № 10. - С. 65-69.
40. Сюй, А.В. Интерференционно-поляризационные характеристики излучения, прошедшего кристаллические пластинки / А.В. Сюй. - Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2008. - 99 с.
41. Сюй, А.В. Запись изображения в кристаллах ниобата лития широкополосным излучением / А.В. Сюй. - Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2008. - 80 с.
42. Сюй, А.В. Запись изображения некогерентным широкополосным излучением в кристаллах ниобата лития / А.В. Сюй // Научная сессия МИФИ-2008. Сборник научных трудов. В 17 томах. Т. 2. Физика твердого тела. Фотоника и информационная оптика. - М.: Изд-во МИФИ, 2008. - С. 102-103.
43. Сюй, А.В. Запись изображения в легированных кристаллах ниобата лития / А.В. Сюй, В.И. Строганов, В.В. Лихтин // Всероссийская конференция по физике сегнетоэлектриков - XVIII. - СПб.: Изд-во ЛЭТИ, 2008. - С.236.
44. Сюй, А.В. Поляризационно-ориентационная зависимость записи изображения в легированных кристаллах ниобата лития / А.В. Сюй, Е.А. Антонычева // VII Международная научная конференция Лазерная физика и оптические технологии. Сборник научных трудов конференции. Том II. Применение лазеров в научных исследованиях и технике. Применение лазеров в биологии и медицине. - Минск, 2008. - С. 239-242.
45. Патент РФ № 2006141076/28 (2334959) 7 G01J 4/00 Способ управления поляризацией света / А.В. Сюй, В.И. Строганов, В.В. Криштоп (РФ) Опубл.
27.09.2008. Приоритет от 20.11.2006.
46. Syuy A.V. Interference of conoscopic pictures of optical crystals / A.V. Syuy, V.I. Stroganov // Optics Communications. - 2008. - V. 281. - P. 5935-5938.