Главная » 2014 » Сентябрь » 21 » Скачать Голографические решетки в кристаллах титаната висмута для измерительных систем оптических датчиков. Агеев, Евгений Юрьевич бесплатно
8:00 AM
Скачать Голографические решетки в кристаллах титаната висмута для измерительных систем оптических датчиков. Агеев, Евгений Юрьевич бесплатно
Голографические решетки в кристаллах титаната висмута для измерительных систем оптических датчиков
Диссертация
Автор: Агеев, Евгений Юрьевич
Название: Голографические решетки в кристаллах титаната висмута для измерительных систем оптических датчиков
Справка: Агеев, Евгений Юрьевич. Голографические решетки в кристаллах титаната висмута для измерительных систем оптических датчиков : диссертация кандидата технических наук : 01.04.05 Томск, 2005 148 c. : 61 06-5/264
Объем: 148 стр.
Информация: Томск, 2005
Содержание:
1 Фоторефрактивный эффект и двухволновое взаимодействие световыхпучков в электрооптических кристаллах
1 Фоторефрактивный эффект в электрооптических кристаллах
111 Одноуровневая модель зонного переноса
1Л 2 Двухуровневая модель зонного переноса
113 Модель с несколькими зарядовыми состояниямиловушечных центров
114 Модель с мелким ловушечным уровнем и глубокимдонорным уровнем в нескольких зарядовых состояниях
12 Двухволновое взаимодействие в фоторефрактивных кристаллах
121 Механизмы изменения оптических свойств среды
122 Двухпучковое взаимодействие в пропускающей геометрии
123 Двухпучковое взаимодействие в отражательной геометрии
13
Выводы
2 Динамика фоторефрактивного отклика в кристаллахсилленитов с мелкими ловушками
21 Фоторефрактивный отклик кристаллов с глубокими донорнымии мелкими ловушечными центрами при диффузионном механизмеформирования решеток_ _ _
211 Динамика отклика при постоянных средних значенияхконцентраций
212 Динамика фоторефрактивного отклика при формированиифоторефрактивной решетки после выдержки кристаллав темновых условиях
22 Фоторефрактивный отклик кристаллов с глубокими донорными имелкими ловушечными центрами во внешнем электрическом полепри смешанном дрейфово-диффузионном механизмеформирования решеток
23
Выводы
3 Экспериментальное исследование динамики фотоиндуцированныхэффектов в кристаллах титаната висмута
31 Экспериментальная установка для исследования динамики формированияотражательных голографических решеток в фоторефрактивныхкристаллах
32 Методика проведения эксперимента
33 Экспериментальные исследования динамики формированияотражательных фоторефрактивных решеток в кристаллахтитаната висмута в условиях фотоиндуцированного поглощения
331 Динамика формирования отражательной фоторефрактивнойрешетки в номинально нелегированном кристалле титанатависмута среза (111)
332 Динамика формирования отражательной фоторефрактивнойрешетки в номинально нелегированном кристалле титанатависмута среза (100)
333 Динамика формирования отражательной фоторефрактивнойрешетки в легированном кальцием и галлием кристаллетитаната висмута среза (111)
34
Выводы
4 Адаптивная обработка динамических спекловых полей с помощьюотражательных голограмм, сформированных в кристаллах титанатависмута без приложения внешнего поля
41 Экспериментальное исследование динамики формированияфоторефрактивной решетки немодулированной картиной спекловогополя в отражательной геометрии в кристаллахтитаната висмута среза (100)
411 Сравнительный анализ динамики формирования отражательныхголограмм лазерным пучком без спекловой структуры в кристаллахтитаната висмута, легированных различными примесями
412 Экспериментальная установка для исследования формированияотражательных решеток немодулированными лазерными пучками соспекловой структурой
413 Результаты экспериментов по динамике формированияотражательных решеток в фоторефрактивном кристалленемодулированной картиной спеклового поля и по влиянию насформированную голограмму некогерентной подсветки
42 Экспериментальное исследование выделения модуляционногосигнала с помощью адаптивного фильтра на основефоторефрактивных голограмм
421 Экспериментальная установка для выделения модуляционногосигнала на адаптивном фильтре на основе отражательнойфоторефрактивной голограммы
422 Экспериментальное исследование влияния временной модуляциивходного спеклового пучка на выходной сигналголографического фильтра на основе отражательнойрешетки в кристалле титаната висмута среза (100)
423 Экспериментальное исследование выделения модуляционногосигнала на адаптивном интерференционном фильтре на основепропускающей фоторефрактивной голограммы
43
Выводы
Введение:
Актуальность темы. Фоторефрактивные кристаллы позволяютформировать в них динамические голограммы в реальном масштабе времени.Это делает их перспективными для создания адаптивных интерферометров,эффективно выделяющих информационные сигналы в оптических датчиках [1].Запись голограммы в фоторефрактивном кристалле основана нафотовозбуждении носителей заряда под действием картины интерференцииопорной и предметной волн, перераспределении зарядов по дефектным центрами модуляции оптических свойств за счет линейного электрооптическогоэффекта. Кристаллы силленитов В ^ З Ю ^ , В112СеО20 и В112ТЮ20 являютсяперспективными фоторефрактивными материалами для применения в реальныхустройствах благодаря устойчивости к внешним воздействиям и сравнительнобыстрому нелинейному отклику на световое воздействие. Наибольший интересдля устройств, в которых используется лазерное излучение из красной областиспектра, представляют кристаллы титаната висмута В112ТЮ20> имеющие малоеудельное оптическое вращение ( 6.5 угл.град/мм на длине волны X = 633 нм)Для увеличения фоторефрактивного отклика в устройствах, использующихкристаллы класса силленитов со сравнительно небольшимиэлектрооптическими коэффициентами, к ним прикладывается внешнеепостоянное или переменное электрическое поле. Это усложняет и удорожаеттакие устройства и ухудшает их эксплуатационные характеристики, посколькунапряженность прикладываемых полей обычно превышает 10 кВ/см. Известно,однако, что в отсутствие внешнего поля с повышением пространственнойчастоты фоторефрактивной решетки ее амплитуда возрастает, в случаеотсутствия насыщения ловушек. В кристаллах титаната висмута,характеризующихся большой концентрацией ловушек, можно ожидатьформирования фоторефрактивных решеток с малым пространственнымпериодом за счет диффузионного механизма перераспределения зарядов,имеющих большую дифракционную эффективность и в отсутствие внешнихэлектрических полей. Для максимально полного использования этого эффектанеобходимо использовать встречную геометрию взаимодействия световыхволн, при которой в кристалле формируется так называемая «отражательнаяфоторефрактивная решетка». Голограммы, записанные в такой геометрии,известны под названием «голограмм Денисюка».В кристаллах ЕИ^ТЮ^» как номинально чистых, так и легированныхразличными примесями, наблюдается эффект фотоиндуцированногопоглощения света. При формировании в таких кристаллах фоторефрактивныхрешеток одновременно идет процесс образования амплитудной решеткикоэффициента поглощения и изменения коэффициента поглощения светакристаллом. Эти эффекты связываются в литературе со сложной структуройдефектных центров кристаллов и присутствием в них, наряду с глубокимидонорными, мелких ловушечных центров. При записи фоторефрактивныхголограмм в таких кристаллах образуется несколько зарядовых решеток,поведение которых будет зависеть от времени, изменения условий засветкикристалла картиной интерференции опорного и предметного пучков, и отприлагаемых к кристаллу электрических полей. Однако подробного изучениядинамики процессов формирования фоторефрактивных решеток в условияхфотоиндуцированного поглощения света в кристаллах с глубокими донорнымицентрами и мелкими ловушками не проводилось.При отражении лазерного излучения от реальных объектов, не имеющихзеркальных поверхностей, а также на выходе многомодовых оптическихволокон, широко используемых для построения оптических датчиков,образуется сложная, так называемая «спекл-картина», представляющая собойрезультат интерференции когерентных световых волн с различнымиамплитудами и фазами. «Спекл-картина» может использоваться в качествеинформационного сигнала для определения изменения состояния объекта, либовнешнего воздействия на оптическое волокно. Характер изменений, влияющихна состояние «спекл-картины», может быть различным: как правило,изменения, несущие полезную информацию, происходят достаточно быстро.Изменения же, связанные с изменением внешних условий, таких кактемпература, давление и т.п., достаточно инерционны. Фоторефрактивныеголограммы в кристаллах титаната висмута, обладающие быстрымдинамическим откликом и хорошими характеристиками в отсутствиеприложенных внешних полей, представляются перспективными для созданияпростых и недорогих измерительных систем, позволяющих выделитьинформационные сигналы, соответствующие быстрым изменениям измеряемыхвеличин в оптических датчиках и обладающих адаптивностью к медленнымизменениям внешних условий.Целью диссертационной работы является исследование процессовформирования голографических решеток в фоторефрактивных кристаллах сучетом эффектов фотоиндуцированного поглощения света и сложнойструктуры дефектных центров и использование таких фоторефрактивныхголограмм, формируемых в кристаллах титаната висмута, для реализацииадаптивных устройств выделения информационных сигналов в оптическихдатчиках.Методы исследования. Теоретический анализ динамики фоторефрактивногоотклика основывался на модели зонного переноса для кристаллов, содержащихглубокие доноры и мелкие ловушечные центры. При обработкеэкспериментальных результатов по динамике взаимодействия световых пучковна отражательных решетках в кристаллах титаната висмута использовалисьскалярные модели, учитывающие истощение накачки и развитиефотоиндуцированного поглощения света.В экспериментальных исследованиях формирования лазерными пучкамиотражательных и пропускающих решеток в кристаллах титаната висмутаиспользовались методы динамической голографии и подсветка кристалланекогерентным узкополосным излучением полупроводниковых светодиодов.8Основные научные положения, выносимые на защиту:1. Динамика поля пространственного поля в кристалле с мелкими ловушкамипри диффузионном механизме записи зависит от способа формированияфоторефрактивной решетки. Если формирование решетки происходит пристационарных значениях средних концентраций носителей заряда, доноров иловушек, достигаемых при засветке кристалла до начала формированиярешетки взаимно некогерентными пучками сигнала и накачки, ее нарастаниедо стационарного значения происходит монотонно. При одновременномвоздействии когерентных световых пучков на кристалл, предварительновыдержанный в темноте, амплитуда поля пространственного заряда впроцессе записи может значительно превосходить свое стационарноезначение, а ее динамика имеет немонотонный характер.2. Эффекты усиления скрытого голографического изображения в темновыхусловиях в фоторефрактивном кристалле с однократно и двукратноионизированными донорами и мелким ловушкам при приложении внешнегополя и его проявления при включении считывающего света связаны спространственным сдвигом соответствующих зарядовых решетокотносительно друг друга.3. Эффективные голографические решетки отражательного типа формируютсялазерными пучками с гауссовым распределением амплитуды и со сложнойспекл-структурой за счет диффузионного механизма записи, без приложениявнешнего электрического поля, как в номинально чистых, так и влегированных кристаллах титаната висмута среза (100).4. Адаптивные интерферометры для измерения величины смещенияколеблющихся объектов и детектирования сигналов с волоконно-оптическихдатчиков на основе многомодовых волокон могут быть реализованы наоснове диффузионного механизма формирования пропускающих иотражательных фоторефрактивных решеток в кристаллах титаната висмута,без приложения к нему внешнего электрического поля, лазерными пучкамисо спекловой структурой.Достоверность результатов работы, полученных при теоретических расчетах,обусловлена постановкой задачи с использованием обоснованныхприближений и известных моделей фоторефрактивного кристалла, а такжедающих хорошую сходимость методов численного интегрирования системнелинейных дифференциальных уравнений на основе современногопрограммного обеспечения. Достоверность экспериментальных результатов подинамике фоторефрактивного отклика и полученных на их основехарактеристик фоторефрактивных кристаллов базируется на использованиибольшого массива экспериментальных данных, полученных поапробированным, физически обоснованным методикам, при помощиизмерительной аппаратуры с известными характеристиками.Научная новизна:1. Проведен численный анализ динамики формирования поляпространственного заряда фоторефрдктивной решетки для модели зонногопереноса, учитывающей присутствие в кристалле глубоких донорныхцентров и мелких ловушек. Показано, что в таких кристаллах,предварительно выдержанных в темновых условиях, при диффузионноммеханизме записи фоторефрактивной решетки динамика ее формированияимеет немонотонный характер, причем максимально достигаемаяамплитуда решетки может существенно превышать ее стационарноезначение.2. Выполнен численный анализ динамики формирования поляпространственного заряда фоторефрактивной решетки для модели зонногопереноса, учитывающей двукратно ионизируемые глубокие донорныецентры и мелкие ловушки, при смешанном диффузионно-дрейфовоммеханизме записи, с приложением к кристаллу внешнего постоянногоэлектрического поля. Предложенная методика анализа, учитывающаяэффекты пространственного сдвига зарядовых решеток, соответствующих10однократно и двукратно ионизированным донорам и мелким ловушкам,количественно описывает наблюдаемые ранее экспериментально вкристаллах силленитов эффекты усиления скрытого изображения втемновых условиях при приложении внешнего поля и его проявления привключении считывающего света.3. Разработана экспериментальная установка и методика исследованиядинамики формирования отражательных фоторефрактивных решеток,позволяющая минимизировать влияние внешних условий на стабильностьформируемой голограммы и изучать медленные составляющие процессовперезарядки дефектных центров в кристаллах силленитов в условияхфотоиндуцированного поглощения света. На этой основе экспериментальноподтверждено предсказанное ранее немонотонное поведение амплитудыфоторефрактивной решетки при ее формировании в нелегированномкристалле титаната висмута среза (111); получен коэффициентдвухпучкового усиления г = 4.7 см"1 в нелегированном кристалле титанатависмута среза (100) без приложения внешнего поля; показано, что вкристалле Ы12ТЮ^ :Са :Са среза (111) отражательная голограммапредставляет собой совокупность фоторефрактивной и абсорбционнойрешеток, а также что в данном кристалле на длине волны X = 633 нмнаблюдается его фотоиндуцированное просветление, в то время как желтыйсвет (Я, = 570 нм ) приводит к росту поглощения.4. Экспериментально показано, что эффективные отражательные голограммымогут формироваться при использовании лазерного излучения с длинойволны X = 633 нм гауссовыми световыми пучками и пучками со сложнойспекловой структурой, как в номинально чистых, так и в легированныхразличными примесями кристаллах титаната висмута среза (100), безприложения внешнего электрического поля.Практическая значимость проведенных исследований заключается вследующем:111. Обнаруженный эффект достижения амплитудой фоторефрактивнойрешетки максимума, значительно превосходящего стационарныйуровень, при ее диффузионной записи в кристалле, предварительновыдержанном в темновых условиях, может быть использован дляувеличения эффективности устройств динамической голографии, в томчисле и элементов измерительных систем оптических датчиков.2. Предложенная методика количественного анализа эффектов усиленияскрытого изображения в темновых условиях при приложении внешнегополя и его проявления при включении считывающего света может бытьиспользована для проектирования управляемых устройств динамическойоптической памяти.3. Разработанная экспериментальная установка и методика исследованиядинамики формирования отражательных фоторефрактивных решеток,позволяющая минимизировать влияние внешних условий настабильность формируемой голограммы и изучать медленныесоставляющие процессов перезарядки дефектных центров в кристаллахсилленитов в условиях фотоиндуцированного поглощения света,используется в настоящее время в научных исследованиях и в учебномпроцессе кафедры Электронных приборов Томского государственногоуниверситета систем управления и радиоэлектроники.4. Продемонстрированная возможность формирования эффективныхотражательных голограмм при использовании лазерного излучения сдлиной волны X = 633 нм гауссовыми световыми пучками и пучками сосложной спекловой структурой, как в номинально чистых, так и влегированных различными примесями кристаллах титаната висмута среза(100), без приложения внешнего электрического поля, показываетперспективность использования таких кристаллов для реализацииузкополосных спектральных фильтров и адаптивныхинтерферометрических измерительных систем оптических датчиков.125. Показана работоспособность устройств, использующих динамическиеотражательные голограммы в легированном медью кристалле титанатависмута среза (100), при наличии внешней фоновой некогерентнойзасветки с длиной волны, близкой к рабочей (Д = 633нм)> и синтенсивностью, составляющей до 500% от интенсивности полезногосигнала.6. Реализована схема построения измерительной системы оптическогодатчика на основе формирования пропускающей фоторефрактивнойрешетки лазерным излучением с длиной волны X = 633 нм > влегированном ванадием кристалле титаната висмута среза (ПО) безприложения внешнего поля, с использованием сигнального световогопучка со спекл-структурой, отраженного от колеблющегося объекта.Продемонстрировано выделение устойчивого информационного сигналана второй гармонике с амплитудой, определяемой амплитудой колебанийобъекта на основной частоте.Внедрение. Результаты диссертационной работы используются при разработкеадаптивных волоконно-оптических измерительных систем в Институтеавтоматики Дальневосточного отделения РАН. На кафедре Электронныхприборов Томского государственного университета систем управления ирадиоэлектроники внедрена и используется в научно-исследовательскихработах, а также при курсовом и дипломном проектировании студентовавтоматизированная экспериментальная установка для исследования динамикиформирования отражательных фоторефрактивных решеток ифотоиндуцированного поглощения света в кристаллах. Акты внедренияприведены в Приложении к диссертации.Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались наМеждународной конференции молодых ученых и специалистов «Оптика-99» (г.Санкт-Петербург, 19-21 октября 1999 г.), на VI международной научно13практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых«Современные техника и технологии» (г. Томск, 28 февраля - 3 марта 2000 г.),на I школе-семинаре молодых ученых «Современные проблемы физики итехнологии» (г. Томск, 1-3 февраля 2000 г.),на 1-ой Международнойконференции «РипёатепЫ ргоЫетз ог* Ор1о- апс! Мюгое1ес1гошс5»АРСОМ'2000 (г. Владивосток, 11-15 сентября 2000г.), на Международнойконференции "Орйсз о? СгузЫз", (Могуг, Ве1аш5, 26-30 8ер1етЪег, 2000), наМеждународной конференции «Фундаментальные проблемы оптики» (г.СанктПетербург, Россия, 2001 г.), на II школе-семинаре молодых ученых«Современные проблемы физики и технологии» (г. Томск, 5-7 февраля 2001 г.),на 8-ой Международной конференции по фоторефрактивным эффектам,материалам и приборам РЯ-01 (\У1зсопзт, 115А, 1и1у 8-12, 2001 г.), наМеждународной конференции "РгоЫет ог* 1п1егас1юп ог* КасНайоп \укп МаИег",(Соте1, Ве1аш5, 30 Ос1оЬег - 1 МоуетЪег, 2001), на Международной азиатскотихоокеанской конференции «РипёатепЫ ргоЫетз о!* Ор1о- апс1Мюгое1ес1готсз» АРСОМ-2001 (г. Владивосток, 20-23 августа 2001г.), на IIIшколе-семинаре молодых ученых «Современные проблемы физики итехнологии» (г. Томск, 30 января - 1 февраля 2002 г.), на Международнойконференции 81ВЕБЕМ-2002, (Тотзк, Ки551а, МагсЬ 19-20, 2002), наМеждународной конференции по квантовой электронике 1ОЕС-2002 (Москва,22-27 июня 2002 г.), на IX Международной конференции «ТЧопНпеаг Орйсз ог"1лдшс1 апс1 РпоКяеГгасйуе Сгуз1:а15», (А1и5Ь1а, Сптеа, 11сга1пе, 5ер1етЬег 30Ос1оЬег 4, 2002), на Всероссийской научно-практической конференции«Электронные средства и системы управления», (Томск, Россия, 21-23 октября2003 г.), на третьей Международной азиатско-тихоокеанской конференции«Рипс1атеп1а1 ргоЫетз ог" Ор1о- апё Мюгое1ес1гошс5» АРСОМ'2003 (г.Владивосток, 8-12 сентября 2003 г).Публикации. Основные результаты диссертации изложены в 1 статье вжурнале Американского оптического общества [53*], в 5-ти статьях в14центральных российских журналах [33*, 34*, 54*, 56*, 62*], в 8-мипубликациях в сборниках трудов Международных конференций [48*, 49*, 50*,51*, 52*, 55*, 61*, 63*], в 4-х статьях в сборниках трудов молодых ученых [57*,58*, 59*, 60*] и в 1 статье в сборнике трудов Всероссийской научнопрактической конференции [64*]. Ссылки на них в тексте помечены символом «*».Структура, объем и содержание диссертации. Диссертация состоит извведения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Полныйобъем диссертации - 148 страниц, включая 60 рисунков и 2 таблицы.Нумерация формул, рисунков и таблиц принята по параграфам.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируютсяцель работы и выносимые на защиту основные научные положения.Указывается научная новизна и практическая значимость результатов,приводится краткая аннотация содержания диссертации по главам,перечислены основные результаты работы.Первая глава имеет обзорный характер. В ней рассмотрены основныеособенности существующих зонных моделей переноса заряда вфоторефрактивных кристаллах и процессов, происходящих при записифоторефрактивных решеток, на основе решения материальных уравнений сиспользованием приближения малого контраста интерференционной картины.Подробно рассмотрена одноуровневая модель зонного переноса, в рамкахкоторой предполагается существование в кристалле одного типа фотоактивныхпримесных центров, позволяющая описать многие эффекты, наблюдаемые привзаимодействии световых волн на фоторефрактивной нелинейности. Описанадвухцентровая двухуровневая модель, предполагающая существование в15кристалле двух типов фотоактивных дефектов - глубокого донорного и мелкоголовушечного. Она объясняет такие наблюдаемые экспериментально эффекты,как зависимость амплитуды фоторефрактивной решетки от среднейинтенсивности света, неэкспоненциальную динамику ее записи-стирания ифотоиндуцированное поглощение света.Дано краткое описание особенностей одноцентровой двухуровневоймодели, предполагающей существование в кристалле только донорныхцентров, которые, однако, могут находиться в трех зарядовых состояниях.Приводится схема уровней и система материальных уравнений для моделизонного переноса, принимающей в рассмотрение глубокие доноры, которыемогут находиться в трех зарядовых состояниях, и фотоактивные мелкиеловушки. Отмечено, что данная модель хорошо описывает динамикуфотоиндуцированного поглощения света, наблюдаемую экспериментально надлине волны X = 633 нм в нелегированном кристалле титаната висмута.При описании двухволнового взаимодействия света в фоторефрактивныхкристаллах рассмотрены механизмы изменения оптических свойств средыформирующимися в кристалле зарядовыми решетками. Фазовая компонентарешетки связана с линейным электрооптическим эффектом и дополнительнымвкладом фотоупругого эффекта, обусловленного пьезоэлектрическимисвойствами фоторефрактивных кристаллов. Амплитудная компонента решетки(решетка коэффициента поглощения) возникает из-за фотоиндуцированногопоглощения света. При описании двухволнового взаимодействия впропускающей геометрии приводятся соотношения, определяющиеэкспоненциальные коэффициенты двухпучкового усиления нафоторефрактивной и абсорбционной решетках и позволяющие определить ихиз экспериментальных данных. При описании двухволнового взаимодействия вотражательной геометрии отмечены особенности отражательныхголографических решеток в фоторефрактивных кристаллах, важные дляпрактического применения в оптических устройствах различного назначения.16Вторая глава посвящена анализу динамики физических явлений,происходящих при формировании фоторефрактивных решеток в кристаллахсилленитов, с учетом вклада мелких ловушек в поле пространственного заряда,в абсорбционную составляющую решетки и в фотоиндуцированноепоглощение света.С использованием модели зонного переноса кристалла, содержащегофотоактивные примесные центры двух типов, глубокие донорные и мелкиеловушечные, выполнен анализ формирования фоторефрактивной решетки вкристалле без приложения внешнего электрического поля. Отдельнорассмотрены два принципиально различных случая формирования решетки.Если формирование решетки происходит при некоторых стационарныхзначениях средних концентраций ионизированных донорных и захватившихзаряд мелких ловушечных центров, рост поля пространственного зарядарешетки в кристалле носит монотонный двухэкспоненциальный характер.Имеется начальный быстрый участок роста с последующим, значительно болеемедленным нарастанием амплитуды решетки до стационарного значения(кривая 1 на рис. 1). Вклад медленного процесса, связанного с заселениеммелких ловушечных центров в динамику отклика, зависит как от концентрациимелких ловушек, так и от интенсивности света. При средней интенсивностисвета 10 > 50Вт/м2 и концентрации мелких ловушечных центров в кристаллеМ т <1.2*1О2Ом3 влиянием мелких ловушечных центров можно пренебречь идинамика поля пространственного заряда может быть описана на основеодноуровневой модели зонного переноса. Сравнение, выполненное дляформирования фоторефрактивной решетки в пропускающей(пространственный период Л = 3 мкм) и в отражательной геометрии(Л = 0.1 мкм), показывает, что формирование поля пространственного зарядана начальном этапе для отражательной решетки является более медленным посравнению с нарастанием пропускающей решетки. Это связано с тем, что прималом периоде решетки для обеспечения большого значения диффузионного17поля значительно большее количество донорных центров участвует в процессахфотоионизации и перераспределения зарядов.Второй случай соответствует формированию решетки в кристалле,предварительно выдержанном в темноте. Решение системы материальныхуравнений выполнялось в этом случае численно. Определено, что скоростьнарастания поля на начальном этапе в этом случае заметно меньше, а динамиканарастания амплитуды поля пространственного заряда имеет немонотонныйхарактер, с максимумом, существенно превосходящим стационарное значение(кривая 2 на рис. 1). Получено, что в случае отражательной геометрииформирования решетки немонотонный характер динамики поляпространственного заряда более выражен.Различие в поведении фоторефрактивной решетки при разных начальныхсостояниях кристалла объясняется различной скоростью формирования вкристалле двух конкурирующих зарядовых решеток разного знака, одна изкоторых связана с глубокими донорными центрами, а другая с мелкимиловушками.Установлено, что динамика формирования абсорбционной решетки вкристалле, предварительно выдержанном в темноте, также немонотонна.Максимальное значение и стационарный уровень амплитуды абсорбционнойрешетки больше для случая пропускающей геометрии записи.Совместно с А.М. Плесовских проведен анализ динамики поляпространственного заряда в кристалле с мелкими ловушками и с глубокимидонорными центрами, допускающими двукратную ионизацию, для смешанногодиффузионно-дрейфового механизма формирования фоторефрактивнойрешетки. В расчетах моделировалось формирование опорным и предметнымпучками в кристалле, предварительно выдержанном в темноте,фоторефрактивной решетки и определялось ее поведение при измененииусловий записи (рис. 2).18Время, сРис. 1. Динамика изменения амплитуды первойгармоники поля пространственного заряда для двухспособов записи в случае отражательной решетки спериодом л = олм*м. Среднее значение интенсивности/0 =ШВт/м2.На интервале времени от 0 до 1000 с формирование решетки происходилоза счет диффузионного механизма, без приложения внешнего поля. После«выключения» опорного и сигнального пучков при I = 1000 с наблюдаетсятемновая релаксация решетки, а после «приложения» к кристаллу при I = 1400 спостоянного электрического поля амплитуда решетки начинает плавнонарастать, то есть внешнее электрическое поле вызывает усиление записанногоизображения. Амплитуда решетки резко возрастает при включенииединственного считывающего пучка (рис. 2), поскольку при этом значительноувеличивается проводимость кристалла. Установлено, что причиной эффектовусиления и проявления записанных голограмм является пространственныйсдвиг зарядовых решеток, соответствующих однократно и двукратноионизированным донорам и мелким ловушкам, относительно друг друга безизменения их амплитуды. 192000 2500 зосю 3500 4000Время, сРис. 2. Временные зависимости амплитуды поляпространственного заряда ЕХ фоторефрактивнойрешётки с периодом 5 мкм при изменении условий еёзаписи и восстановления. Кривая 1 соответствуетвключению считывающего пучка в момент времениI = 2000с, кривая 2-1 = 2500с, кривая 3 - г=зооос.В третьей главе описаны разработанные с участием автора экспериментальныеустановки и методики проведения исследований динамикифотоиндуцированных эффектов в фоторефрактивных кристаллах ипредставлены результаты экспериментов по формированию отражательныхрешеток в кристаллах титаната висмута в условиях фотоиндуцированногопоглощения света.Разработанная автоматизированная экспериментальная установка иметодики исследования динамики формирования отражательныхфоторефрактивных решеток, использующие интерференцию пучка накачки иотраженного от выходной грани кристалла «сигнального» пучка, позволилиминимизировать влияние внешних условий на стабильность формируемойголограммы и изучать медленные составляющие процессов перезарядкидефектных центров в кристаллах силленитов в условиях фотоиндуцированногопоглощения света.Их использование позволило экспериментально подтвердитьтеоретические выводы главы 2 о немонотонном поведении амплитудыфоторефрактивной решетки, для ее формирования в номинально20нелегированном кристалле титаната висмута среза (111), предварительновыдержанном в темновых условиях.Представлены результаты экспериментов по формированиюотражательной решетки в номинально нелегированном кристалле титанатависмута среза (100). В отражательной геометрии при диффузионном механизмезаписи получен коэффициент двухпучкового усиления Г = 4.7см"1, недостижимый для решеток пропускающего типа, формируемых в кубическихфоторефрактивных кристаллах, без приложения внешних электрических полей.Представлены результаты экспериментов по формированиюотражательной решетки и изучению фотохромного эффекта в легированномкальцием и галлием кристалле титаната висмута среза (111). Установлено, что вэтом кристалле наблюдается фотоиндуцированное просветление на длиневолны % = 633 нм • Отражательная голографическая решетка, формируемая вкристалле ЕН^ТЮ^ :Са:Са лазерным пучком на данной длине волны, имеетфазовую (фоторефрактивную) и абсорбционную составляющие. Рассчитанныепо экспериментальным данным максимальные коэффициенты двухпучковогоусиления для фоторефрактивной (ГрЬ) и абсорбционной (Г а) решеток близки повеличине и составляют 0.21см"1 и 0.17 см"1, соответственно. Установлено, чтооблучение кристалла некогерентным излучением светодиодов на длине волныА, « 660 нм приводит к фотоиндуцированному просветлению кристалла, в товремя как желтый свет с длиной волны X«570 нм вызывает увеличениесобственного коэффициента поглощения. В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследованийфоторефрактивных голограмм, сформированных в кристаллах ВТО вотсутствии приложенного внешнего электрического напряжения световымипучками со спекловой структурой, с целью реализации на этой основеизмерительных систем оптических датчиков.21Выполнены эксперименты и проведен сравнительный анализ динамикиформирования отражательных решеток обычными лазерными пучками влегированных различными примесями кристаллах титаната висмута среза (100).Показано, что эффект перераспределения мощности между пучками накачки исигнала наблюдается по мере формирования отражательной решетки во всехисследованных кристаллах.Проведены экспериментальные исследования динамики перекачкимощности на отражательной фоторефрактивной решетке в легированном медьюкристалле титаната висмута среза (100) при использовании немодулированныхсветовых пучков со спекловой структурой. Показано, что эффективностьперекачки мощности на отражательной голографической решетке,формируемой пучками со спекловой структурой, не отличается от случая еезаписи гауссовыми пучками. Полученный результат объясняется тем, чтопространственный период отражательной решетки, составляющий «0.12мкм,существенно меньше поперечных размеров спекловых пятен.Проведены экспериментальные исследования по изучению влияниявнешней некогерентной подсветки с длиной волны «660 нм на динамикуформирования и амплитуду фоторефрактивной решетки спекловыми пучками(А, = 633 нм) в легированном медью кристалле титаната висмута среза (100).Установлено, что внешняя подсветка некогерентным излучением с близкойдлиной волны частично стирает отражательную фоторефрактивную решетку,сформированную пучками со спекловой структурой, причем тем сильнее ибыстрее, чем больше интенсивность подсветки. Показано, что отражательныеголограммы имеют заметную амплитуду при интенсивности подсветки,составляющей до 500 % от интенсивности падающего на кристалл спекловогопучка, формирующего данную голограмму.Проведены экспериментальные исследования по выделениюмодуляционного сигнала на адаптивных голографических фильтрахпропускающего и отражательного типов, формируемых модулированнымиспекловыми пучками в кристаллах титаната висмута. Экспериментально22показано, что для отражательных голограмм, формируемых единственнымспекловым пучком за счет его отражения от выходной грани кристалла,включение временной модуляции приводит к быстрому падению перекачкиэнергии в сигнальный пучок, которая со временем восстанавливается на болеенизком уровне. В случае «кипящего» характера спекловой картины выходногоизлучения волоконно-оптического датчика не удается выделить полезныймодуляционный сигнал на отражательной голограмме такого типа.Проведенными экспериментами доказано, что адаптивныеинтерферометры для измерения величины смещения колеблющихся объектовмогут быть реализованы на основе диффузионного механизма формированияпропускающих фоторефрактивных решеток в кристаллах титаната висмута, безприложения к нему внешнего электрического поля, лазерными пучками соспекловой структурой, отраженными от данных объектов.В заключении сформулированы основные результаты диссертационнойработы.В приложении содержатся документы об использовании материаловдиссертации.