Курсовая работа: Практичне застосування фоторефрактивного ефекту

Нарешті самостійний інтерес представляє питання про практичні застосування фоторефрактивних середовищ і конкретних пристроїв обробки інформації і управління лазерним випромінюванням за допомогою розглядуваних кристалів. У цьому аспекті вивчаються функціональні властивості фоторефрактивних середовищ, а також передавальні характеристики, чутливість, динамічний діапазон, швидкодія і ін.

Саме питання про практичне застосування фоторефрактивного ефекту розглядається в даній курсовій роботі.

1. ФОТОРЕФРАКТИВНИЙ ЕФЕКТ ТА УМОВИ ЙОГО СПОСТЕРЕЖЕННЯ

1.1 Фоторефрактивні кристали

Фоторефрактивні кристали характеризуються наявністю досить сильного лінійного електрооптичного ефекту (ефекту Поккельса), тобто зміни показника заломлення δn=-n₀ ³ rE₀ /2, де r- електрооптичний коефіцієнт, Е₀ - напруженість статичного поля, n₀ - показник заломлення. Сюди відносяться сегнетоелектрики Sn₂ P₂ S₆ , LiNbO₃ , LiTaO₃ , BaTiO₃ і інші, напівпровідники CdS, CdTe, Bi₁₂ SiO₂₀ , Bi₁₂ GeO₂₀ і т.д.Домішки, які є в кристалах, під дією світла можуть іонізуватися, тобто віддавати електрони в зону провідності, і в результаті виникає зміна показника заломлення. З великого числа різних механізмів розглянемо так званий дифузійний механізм.

В момент іонізації макроскопічна густина заряду не виникає, оскільки заряд електронів точно компенсується позитивним зарядом іонізованих домішок. Але завдяки великій рухливості електрони швидко починають дифундувати від місця збудження, а іони залишаються на місці. В результаті спільної дії просторово неоднорідного збудження і дифузії електронів в напрямку областей з меншою інтенсивністю виникає неоднорідний розподіл об'ємного заряду і, як наслідок, неоднорідне статичне поле, яке через ефект Поккельса модулює показник заломлення.

Дещо інший механізм фоторефрактивного (ФР) відгуку реалізується, якщо на кристал накладено досить сильне статичне електричне поле Е₀ . Це поле відносить електрони від позитивних іонів і тим самим створює просторову неоднорідність заряду, поля і показника заломлення.

Цікава властивість ФР середовищ полягає в тому, що в деяких випадках записувані в них динамічні голограми запам'ятовуються на тривалий час при вимиканні дії на них. Записану інформацію можна потім стерти, наприклад, тепловою дією або однорідною засвіткою кристалу.

Ще одна специфічна особливість ФР нелінійності полягає в досить сильній анізотропії коефіцієнта r. Так, у випадку коли хвильовий вектор ФР гратки направлений вздовж оптичної осі в LiNbO₃ , коефіцієнт r₃₃ приблизно в 5 разів більший, ніж r₂₂ при орієнтації цього вектора поперек осі.

1.2 Фоторефрактивний ефект

ФР ефект – це зворотня зміна показника заломлення Dn в об’ємі кристалу, як всередині світлового пучка, так і в прилеглих областях. Величина цієї зміни для деяких матеріалів досягає 10^-4 – 10^-3 (LiNbO₃ , LiTaO₃ ), час пам’яті ефекту коливається в межах від мілісекунд (ВаТіO₃ ) до місяців (LiNbO₃ ) [3]. Цю зміну показника заломлення можна стерти шляхом нагріву, однорідного освітлення чи прикладанням сильного електричного поля.

В основному ФР ефект обумовлений наявністю дефектів, що приводять до виникнення в забороненій зоні додаткових рівнів, які виступають як донори або акцептори зарядів. При наявності світла носії заряду (електрони, дірки або ті й інші разом) збуджуються у відповідну зону, де вони дрейфують, дифундують, і знову захоплюються домішками [1,3]. Іншим можливим механiзмом переносу являється активоване свiтлом тунелювання, тобто перескакування iз пастки на пастку.

Яким би не був транспортний механізм, якщо ж кристал опромiнюється неперервно, то в кiнцi – кiнцiв фотоіндуковані носії заряду перерозподiляються у відповідності з розподілом інтенсивності світлового поля. Коли свiтло виключається, то заряди частково залишаються локалізованими (якщо в темнотi кристал є добрим дiелектриком), тобто локалiзованi носiї заряду “запам’ятовують” свiтлову картину.

Iснують деякi загальнi умови, необхiднi для спостереження ФР ефекту: по-перше, для одержання помiтної величини в дослiджуваних кристалах повиннi бути досить великi електрооптичнi коефiцiєнти. Оскiльки ефект має об’ємний характер, необхiдно, щоб довжина хвилi фотозбудження розташовувалась достатньо далеко вiд краю власного поглинання. Тому при дослiдженнi ФР ефекту, його спостерiгають, як правило, в досить широкозонних матерiалах; в якості джерела освiтлення використовують, найчастіше, Не-Nе- (0.6328 мкм) або Ar - (0.448 мкм) лазери. ФР ефект не потребує когерентностi збуджуючого свiтла, а основною умовою помiтної змiни dn являється достатньо висока енергiя випромiнювання. Значення dn залежить також вiд тривалостi експозицiї [1, 3].

Величина зміни показника заломлення під впливом електричного поля Е може бути визначена, використовуючи слідуюче співвідношення:

(1.1)

де r_ji – електрооптичний коефіцієнт.

Запис голограми здійснюється внаслідок об’ємної модуляції Dn, яка відповідає модуляції інтерференційної картини.

Рис.1.1 Схематичне зображення виникнення зсуву ФР гратки f відносно смуг інтерференційної картини при дифузійному механізмі формування гратки.

На рисунку: I(x), r(x), E_SC (x), Dn(x)– просторові розподіли інтенсивності світлового поля інтерференційної картини, фотоіндукованого заряду, електричного поля та зміни показника заломлення, відповідно; f- фазовий зсув між смугами інтерференційної картини та граткою показника заломлення Dn.

Таким чином, інтерференційна картина у фоторефрактивному середовищі приводить до появи світлоіндукованого поля просторового заряду Е_sc , яке може досягати декількох кВ/см² . Домінування дифузії в цьому процесі приводить до фазового зсуву просторового розподілу поля Е_sc відносно інтерференційної картини, з максимумами в точках, де градієнт заряду максимальний.

1.3 Умови спостереження фоторефрактивного ефекту

Необхідними умовами для фоторефрактивного ефекту в електрооптичних кристалах є:

1. Фоточутливість на даній довжині хвилі.

2. Існування центрів локалізації заряду.

3. Достатньо висока рухливість фотозбуджених носіїв.

Так, в LiNbO₃ , легованому залізом, стани Fe²⁺ є заповненими електронними пастками, а Fe³⁺ - іонізованими донорами, і поля просторових зарядів виникають завдяки просторовому перерозподілу двох-валентних станів.

Величини світлової енергії, необхідні для збудження фоторефракції, мають порядок 1÷10² Дж/см² , тобто можуть бути забезпечені звичайними лазерними джерелами. Спостерігається значна відмінність величини фоторефракції в різних матеріалах. В одному й тому ж матеріалі ефект суттєво залежить від довжини хвилі збуджуючого світла і температури, а також від таких факторів, як якість кристалів, характер і концентрація домішок. Відзначалася залежність величини фоторефракції від попереднього опромінення рентгенівськими або гаммапроменями.