Экспериментальное исследование управляемых дифракционных решеток на основе кристалла ниобата лития тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

На правах рукописи

Паранин Вячеслав Дмитриевич

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ УПРАВЛЯЕМЫХ ДИФРАКЦИОННЫХ РЕШЕТОК НА ОСНОВЕ КРИСТАЛЛА НИОБАТА ЛИТИЯ

01.04.05-Оптика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

3 и 2014

Самара —2014

005554101

Работа выполнена на кафедре наноинженерии федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П.Королева (национальный исследовательский университет)» (СГАУ)1.

Научный руководитель:

Матюнин Сергей Александрович, доктор технических наук, профессор.

Официальные оппоненты:

Волынцев Анатолий Борисович, доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой физики твердого тела Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Пермский государственный национальный исследовательский университет».

Котова Светлана Павловна, кандидат физико-математических наук, с.н.с., заведующая лабораторией автоматизации и моделирования лазерных систем Самарского филиала Федерального государственного бюджетного учреждения науки «Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук».

Ведущая организация:

Федеральное государственное образовательное бюджетное учреждение высшего профессионального образования «Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики».

Защита состоится 19.12.2014 года в 10:00 на заседании диссертационного совета Д 212.215.01 при федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П.Королева (национальный исследовательский университет)» по адресу: 443086, г. Самара, Московское шоссе, д.34. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СГАУ и на сайте www.ssau.ru.

Автореферат разослан 14 октября 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, ,, у

кандидат технических наук, профессор ----- В.Г.Шахов

'федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П.Королева (национальный исследовательский университет)» переименовано в федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П.Королева (национальный исследовательский университет)»

Актуальность темы. Управляемые дифракционные оптические элементы (ДОЭ) на основе линейного электрооптического эффекта способны обеспечивать отображение информации (G.Kreymerman, Optical Eng. 2006), отклонение излучения (M.Ivanenko, Ргос. of SPIE, 2009; J.Rotge, Proc. of SPIE, 2004), модуляцию и коммутацию (D.Sun, Applied Optics, 1997), спектральную фильтрацию (M.Kulishov, Journal of Lightwave Technology, 2003), фокусировку (T.Tatebayashi, Applied Optics, 1992), коррекцию волнового фронта (M.T.Gruneisen, Optical Eng., 2004). Управляемые ДОЭ выполняются на подложках из электрооптических материалов, на поверхности которых сформированы управляющие электроды. Приложение электрического напряжения изменяет показатель преломления материала, фазовое пропускание и диаграмму направленности излучения. Под фазовым пропусканием понимается зависимость фазы излучения на выходе элемента от электрического напряжения и поперечных координат элемента.

Наибольшее внимание уделяется управляемым ДОЭ на основе кристалла ниобата лития (LiNbOî). Ниобат лития технологичен, химически устойчив, механически прочен, прозрачен в видимом, ближнем и среднем ИК диапазонах. Кристалл обладает существенно большим быстродействием электрооптического эффекта по сравнению с жидкими кристаллами, лучшей термостойкостью и меньшим гистерезисом характеристик по сравнению с сегнетокерамиками.

Развитие ДОЭ на основе ниобата лития сдерживается рядом проблем.

Известные результаты расчета электрического поля в кристалле основаны на решении уравнения Лапласа. Такая модель справедлива для умеренных электрических полей. Известно, что приложение электрического поля, сравнимого с коэрцитивным, обуславливает процессы переполяризации электрооптических кристаллов. Кинетика этих процессов определяется структурными свойствами кристалла, напряженностью электрического поля, длительностью его приложения, температурой, освещенностью и др. Переполяризация изменяет чувствительность показателя преломления кристалла к напряженности поля. Особенно интересны процессы поляризации поверхностного слоя, ввиду отличия свойств поверхности и объема ниобата лития, показанного в работах С.М.Кострицкиого, А.В.Новомлинцева, А.Б.Волынцева, Р.С.Пономарева.

Следовательно, необходимо экспериментальное исследование фазового пропускания и диаграммы направленности управляемых ДОЭ при напряженности электрического поля до коэрцитивного (около 2-107 В/м). Актуальность этих исследований заключается в определении механизмов формирования фазового пропускания и диаграммы направленности. Проведение заявленных исследований позволит установить границы применения математических моделей.

В опубликованных работах не проведено исследование произвольного распределения потенциалов электродов. Отсутствует анализ влияния ширины электродов и толщины кристалла на распределение электрического поля. Это затрудняет понимание закономерностей формирования фазового пропускания и диаграммы направленности управляемых ДОЭ. Усложняется создание управляемых ДОЭ, осуществляющих заданное преобразование диаграммы направленности оптического излучения, например, отклонение или фокусировку.

Практически отсутствуют методы экспериментального исследования фазового пропускания управляемых ДОЭ. Предложенный X.Yang (Applied Optics, 2001) метод оценки фазового пропускания по соотношению дифракционных порядков применим только к одномерным решеткам с чередующимися потенциалами в приближении равномерного фазового пропускания межэлектродных зазоров. Данный метод не позволяет исследовать фазовое пропускание отклоняющих и фокусирующих элементов, имеющее пилообразный или апериодический вид. Применение интерференционного метода осложняется дифракцией на краях электродов, недостаточной оптической и физической однородностью электроизоляционного слоя.

Целью работы являлся расчет и экспериментальное исследование управляемых дифракционных решеток на основе кристалла ниобата лития х-среза.

Задачи диссертации:

1 Разработать метод оценки фазового пропускания управляемых дифракционных решеток на основе ниобата лития х-среза.

2 Исследовать фазовое пропускание управляемых дифракционных решеток на основе ниобата лития х-среза при напряженности поля до 106-107 В/м.

3 Исследовать влияние приложенного напряжения и оптических неоднородно-стей, возникающих при напряженности поля 106-107 В/м, на диаграмму направленности управляемых дифракционных решеток на основе ниобата лития х-среза.

Научная новизна работы:

1 Разработан поляризационный метод оценки фазового пропускания управляемых дифракционных решеток на основе ниобата лития х-среза, основанный на изменении пропускания по интенсивности в результате деформации эллипсоида показателей преломления электрическим полем, действующим вдоль оптической оси. Предложенный метод обладает меньшей трудоемкостью по сравнению с интерференционным методом и лучшим пространственным разрешением по сравнению с методом Шака-Хартмана.

2 Исследовано фазовое пропускание управляемых дифракционных решеток на основе ниобата лития х-среза с периодом d=300±5 мкм, межэлектродным зазором а=140±5 мкм и чередующимися потенциалами электродов. Установлено, что фазовое пропускание в межэлектродном зазоре близко к равномерному, а его чувствительность к напряжению составляет 1,53±0,05 мрад/В при напряжении до 120-130 В. Для напряжения свыше 120-130 В нарушается равномерность фазового пропускания в центральной части межэлектродного зазора, увеличивается фазовое пропускание на расстоянии до 20-25 мкм от краев электродов. При дальнейшем повышении напряжения в межэлектродном зазоре появляются иглообразные оптические неоднородности, вызывающие деполяризацию и рассеяние излучения.

3 Исследовано влияние приложенного напряжения и возникающих оптических неоднородностей на диаграмму направленности управляемых дифракционных решеток на основе ниобата лития х-среза. Обнаружено уменьшение интенсивно-стей 0-го и ±1 дифракционных порядков до 44-50% при увеличении напряжения

до 792 В в результате формирования в кристалле периодической фазовой решетки под действием электрического поля. Показано появление новых порядков между 0-го и ±1 максимумами. Отмечено снижение интенсивности 0-го порядка на 12% в трех последующих циклах включения-выключения напряжения, обусловленное появлением в межэлектродном зазоре шириной а= 140+5 мкм иглообразных оптических неоднородностей длиной до 100 мкм, шириной до 10 мкм, перпендикулярных электродам. Установлено, что формирование неоднородностей начинается вблизи прямоугольных углов электродов, где напряженность поля повышена в 1,5-2 раза по сравнению с межэлектродным зазором. Показано, что в зарождении неоднородностей принимают участие микроскопические дефекты границ электродов.

На защиту выносятся:

1 Метод оценки фазового пропускания управляемых дифракционных решеток на основе ниобата лития х-среза.

2 Результаты исследования фазового пропускания управляемых дифракционных решеток на основе ниобата лития х-среза с периодом (1=300±5 мкм, межэлектродным зазором а= 140+5 мкм и чередующимися потенциалами электродов при напряженности электрического поля до 106-107 В/м.

3 Результаты исследования влияния приложенного напряжения и возникающих оптических неоднородностей на диаграмму направленности управляемых дифракционных решеток на основе ниобата лития х-среза с периодом с/=300±5 мкм, межэлектродным зазором а=140±5 мкм и чередующимися потенциалами электродов при напряженности электрического поля до 106-107 В/м.

Практическую значимость диссертации составляют:

1 Экспериментальная установка для исследования фазового пропускания и диаграммы направленности управляемых дифракционных решеток.

2 Программное обеспечение автоматизированной обработки результатов оценки фазового пропускания управляемых дифракционных решеток.

3 Управляемый дифракционный оптический элемент с повышенной чувствительностью к управляющему напряжению (патент РФ № 94002 от 13.05.2009).

4 Управляемый дифракционный оптический элемент с изменяемым пропусканием (патент РФ № 2472194 от 27.04.2011).

Методы исследования. Использовалась скалярная теория дифракции (интеграл Рэлея-Зоммерфельда), теория линейного электрооптического эффекта, теория электростатического поля. Проведено экспериментальное исследование управляемых дифракционных решеток на основе ниобата лития х-среза.

Апробация и внедрение результатов. Результаты работы в виде макетных образцов, алгоритмов и программ расчета внедрены в проектную деятельность ФГУП ГНПРКЦ "ЦСКБ-Прогресс" (г.Самара) и ЗАО «Проекты-Технологии-Интеграция» (г.Москва) для использования в системах атмосферной связи и волоконно-оптических системах управления; внедрены в учебный процесс направления 210100.62 «Электроника и наноэлектроника» федерального государст-

венного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П.Королева (национальный исследовательский университет)».

Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях: Международной НТК «Радиолокация. Навигация. Связь» (Воронеж, 2009), Международной МНК «Туполевские чтения» (Казань,

2009), Международной НТК «Микроэлектроника и информатика» (Зеленоград,

2010), Всероссийской конференции по волоконной оптике (Пермь, 2009, 2011), Международной конференции «Оптические технологии в телекоммуникациях ОТТ-2009» (Самара, 2009), Всероссийской НПК «Перспективы развития информационных технологий» (Новосибирск, 2010), Всероссийской НТК «Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций» (Самара, 2009, 2010, 2011), региональной НТК «Актуальные проблемы физической и функциональной электроники» (Ульяновск, 2008, 2010), X Конкурсе работ по оптике и лазерной физике (Самара, 2012).

Публикации. По теме диссертации опубликована 31 работа, включая 7 статей в рецензируемых научных журналах, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией, 7 статей и 15 тезисов докладов в сборниках научно-технических конференций, 2 патента Российской Федерации.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложений. Объем диссертации составляет 108 страниц, в т.ч. 57 рисунков, 8 таблиц, 135 библиографических ссылок.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы, сформулированы цель и задачи исследования, научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе сделан обзор вариантов реализации и областей применения управляемых ДОЭ на основе линейного электрооптического эффекта в одноосных кристаллах. Предложены амплитудно-фазовые управляемые ДОЭ.

Проведен анализ математических моделей управляемых ДОЭ. Отмечено, что расчет фазового пропускания и диаграммы направленности требует учета распределения потенциалов и размеров электродов, оптических и электрооптических свойств кристалла, длины волны, поляризации и угла падения излучения.

Перечислены нелинейные и пороговые эффекты, возникающие в электрооптических кристаллах. Показана необходимость изучения взаимодействия излучения с управляемыми ДОЭ при напряженности электрического поля 106-107 В/м.

Во второй главе рассчитаны характеристики управляемых дифракционных решеток на основе ниобата лития х-среза с использованием скалярной теории дифракции и уравнения Лапласа. Для моделирования фазового пропускания управляемых дифракционных решеток использовано уравнение индикатрисы х-среза ниобата лития и расчетное распределение электрического поля в кристалле. Поскольку оптическая ось z кристалла была перпендикулярна электродам, то

фазовое пропускание для необыкновенной волны в приближении линейного электрооптического эффекта равно:

= - - п]гъг | Е2 (.х,

И

где яе - необыкновенный показатель преломления ниобата лития; /-33 - линейный электрооптический коэффициент, м/В; Я - длина волны излучения, м; И - толщина кристалла, м; Е:(х,г) - напряженность поля вдоль оси г кристалла, В/м.

Для расчета напряженности Ег(х,г) использовалось уравнения Лапласа для кристалла ниобата лития х-среза. Показано, что на основе решеток с односторонним расположением электродов возможно двух- и трехуровневое квантование фазового пропускания Асре(г) различными потенциалами (рис.1, 2).

V О V О V О V V О О V О О V

-300 О 300 600 900 1200 1500 г, мкм -300 0 300 600 900 1200 1500 г. мкм

а) б)

Рисунок 1 - Варианты распределения потенциалов электродов: а) потенциалы уОуО; б) потенциалы уООуОО

Для потенциалов вида уОуО и уООуОО рассчитано фазовое пропускание А<рс(2) управляемых дифракционных решеток на основе х-среза ниобата лития (рис.2). Период электродов равен ¿/=300 мкм, межэлектродный зазор д=150 мкм, толщина кристалла /¡=1 мм. При расчете электроды предполагались прозрачными. Решение уравнения Лапласа осуществлялось численным методом.

Фаювое пропускание л<^(г>,чрад

О 300 600 900 Коорлнйа1*г,икм

Фановое пропускание Л9е(г). мря.1

МО 900 900 1200 Коорлняжта г. мкм

Рисунок 2 - Расчетное фазовое пропускание решеток при напряжении у=1 В: а) распределение потенциалов уОуО; б) распределение потенциалов уООуОО

Расчет распределения электрического поля показал, что глубина проникновения поля в кристалл для рассмотренных потенциалов не превосходит периода электродов с/. На основе соотношения Ь«пй2'/'(2кХ), где - длина взаимодействия излучения с областью поля, установлен вид дифракции Рамана-Ната для

решеток с периодом электродов десятки-сотни микрометров и ¿=0,633 мкм. Поскольку одновременно выполняется условие с1»Х, то для расчета диаграммы направленности решеток было выбрано скалярное приближение дифракции в виде интеграла Рэлея-Зоммерфельда для плоской волны:

2

2Ь

]4?)

ехр (у'Ы^г,))

соз(л, /- )ехр (/Д<ре (г)) ехр (у <рпад (г)>Ь

где г - координата плоскости электродов; г, - координата картинной плоскости; г//, ¿12 — пределы освещенной области электродов; г - радиус вектор, соединяющий координаты г, г/. Фаза падающей волны <р„ад(2) задавалась равномерной.

Рассчитаны диаграммы направленности для решеток из 11 электродов с периодом ¿/=300 мкм и межэлектродным зазором а=150 мкм (рис. 3). Сплошной линией показано распределение интенсивности при нулевых потенциалах, штриховой - при потенциалах у=1030 В. Рис.3,а соответствует фазовому пропусканию решетки с двухуровневым квантованием (рис.2,а). Рис.3,6 соответствует фазовому пропусканию решетки с трехуровневым квантованием (рис.2,б).

¡1

¡1

1

.1 Шп, А-„¡А к.-, д! г, 1

_2А __А_ 0 2К

за га за 3(1

Угловое положение, рад

за ЗЙ за за

Угловое положение, рад

а) б)

Рисунок 3 - Расчетная диаграмма направленности решеток с различным распределением потенциалов электродов; а) вида уОуО б) вида уООуОО

Таким образом, управляемые дифракционные решетки с двух- и трехуровневым квантованием фазового пропускания А<ре(г) формируют дифракционные порядки на дискретных угловых положениях, определяемых периодом распределения потенциалов и длиной волны оптического излучения.

Третья глава посвящена экспериментальному исследованию диаграммы направленности и оценке фазового пропускания управляемых решеток.

Разработан поляризационный метод оценки фазового пропускания управляемых дифракционных решеток на основе ниобата лития х-среза. Метод основан на изменении пропускания по интенсивности в результате деформации эллипсоида показателей преломления электрическим полем, действующим вдоль оптической оси. Фазовое пропускание А<ре(г) для г-поляризованного излучения управляемой дифракционной решетки на основе х-среза ниобата лития с ориентацией оси г перпендикулярно электродам равно:

Л /, А пог\Ъ ~пегЪЪ

где п„ — показатель преломления для обыкновенной волны; г13 - электрооптический коэффициент, м/В; (1гАп)£ - приращение волновой разности хода кристалла в электрическом поле.

Величина (ИАп)е измеряется по сигналу фотоприемника 1еых(г) (при отсутствии напряжения 1вых(2)ц=0 и наличии напряжения 1вЫх(г)и=у) при известной волновой разности хода кристалла 1гАп. Для поляризатора и анализатора, ориентированных под углом л/4 к оптической оси кристалла, приращение волновой разности хода (7гАп)Е равно:

(АДп)Е = — + со/

17бЫ.Дг)с/=о 1вьЛ2)и=о и )

-I

- АДя.

Для измерения волновой разности хода кристалла кАп использовался поляризационный метод, основанный на измерении минимальной и максимальной

интенсивности ;ми" г »акс При повороте анализатора : ' вых '1 вых г г г

АДл = ~ атстов 2 к

г МИН _ тМиК1

' вых ' вых гмин ,мак> V1 вых + 1 вых У

Предложенный метод обладает меньшей трудоемкостью по сравнению с интерференционным методом и лучшим пространственным разрешением по сравнению с методом Шака-Хартмана.

Проведен анализ погрешностей косвенного метода оценки фазового пропускания на основе формулы геометрической суммы. Получены выражения для расчета влияния неточностей ориентации поляризатора и кристалла, стабильности источника излучения, погрешности фотоприемника, дрейфа длины волны, исходных данных. Установлено, что предложенный метод позволяет измерить фазовое пропускание с погрешностью не более 17,6% для волновой разности хода кристалла 0,105Д. Отклонение расчетного и усредненного экспериментального фазового пропускания составило 2,5% для решетки с потенциалами вида уОуО, что находится в пределах сделанных оценок погрешности измерения.

Схема экспериментальной установки, реализующей метод оценки фазового пропускания управляемых дифракционных решеток, приведена на рис.4.

Изянашя, tarn* SHR

Д-аг

пития 1Ш&

58 i Г

i ' \

! , \

J

Я? ли

20 tv<

Рисунок 4 - Экспериментальная установка: 1 - нейтральный фильтр, 2 - расширитель пучка и пространственный фильтр; 3 — поляризатор; 4 - управляемая дифракционная решетка; 5 - объектив 4х; 6 - анализатор.

Источником излучения служил лазерный модуль KLM-A635-2-5 с длиной волны 638,4 нм и с расходимостью не более 0,1-0,2 мрад. Нестабильность мощности излучения не превосходила ±0,7%. Расширенный световой пучок имел гауссово распределение интенсивности с диаметром 2,8 мм по уровню 0,5. Плотность мощности пучка измерялась калиброванным фотоприемником ОТ-2-7/ИМ и составляла 0,41 мВт/см2 в максимуме. Излучение поляризовалось пленочным поляроидом оптического качества, параллельным оптической оси z кристалла.

Управление диаграммой направленности решетки производилось аналоговым источником с напряжением до 800 В и пульсациями не более 0,2 В. Напряжение измерялось вольтметром GDM-78251A с пределом измерения 1000 В и основной погрешностью не более 0,012%. Диаграмма направленности регистрировалось ПЗС-камерой DCM 310 с разрешением 1024x768.

С помощью разработанного метода оценено фазовое пропускание управляемой решетки на основе ниобата лития х-среза. Использовались кристаллы нелегированного монодоменного ниобата лития конгруэнтного состава размером 15x15x1 мм. Кристаллы полировались алмазной суспензией до чистоты поверхности Pill по ГОСТ 11141-84, неплоскостности поверхности - не более 10", шероховатости Ла<2,0 нм. Период решетки электродов составлял с/=300±5 мкм, межэлектродный зазор а=140±5 мкм, длина электродов — 8 мм, ширина области электродов — 12 мм. Структура электродов включала адгезионный слой хрома толщиной 10 нм и проводящий слой меди толщиной 250 нм. Электроды ориентировались перпендикулярно оптической оси z кристалла. Электрическая изоляция обеспечивалась прозрачным акриловым лаком Plastik 70 с прочностью до 70 В/мкм. Лак наносился аэрозольным методом и формировал гладкий глянцевый слой без видимых дефектов толщиной около 10 мкм.

Фазовое пропускание для решетки с потенциалами vOvO приведено на рис.5.

Фазовое пропускание A<pe(z),рад

OJO --i—---

0,15---г"'»---f—г—

0.00 —,--'--—— — J-L_

-0,15 4_ __--

-0,30 -I-----

0 200 400 600 S00 1000

Номер элемента ПЗС-матрицы

а)

Рисунок 5 — Измеренное фазовое пропускание управляемой дифракционной решетки с потенциалами вида vOvO: а) потенциал v=100 В; б) потенциал v=300B

При напряжении до 120-130 В измеренное фазовое пропускание равно 1,53 мрад/В, что совпадает с расчетным ±2,5%. Это позволяет использовать уравнение Лапласа и теорию линейного электрооптического эффекта. Повышение напряжения изменяет вид фазового пропускания на краях межэлектродного зазора.

Исследовано влияние приложенного напряжения на диаграмму направленности управляемых дифракционных решеток на основе ниобата лития х-среза (рис.6). Для этого объектив 5 и анализатор 6 в схеме на рис.4 заменялись на цилиндрическую линзу, фокальная плоскость которой совмещалась с поверхностью ПЗС-матрицы. При отсутствии напряжения наблюдаются 0-ой и ±1 порядки, определяемые дифракцией излучения на амплитудной решетке электродов (рис.6,а). Приложение напряжения до 792 В вызывает появление новых порядков на углах ±A/2d и ±3Á/2d (рис.6,б,в).

а) б) в)

Рисунок 6 - Экспериментально наблюдаемые дифракционные порядки управляемой решетки при различных напряжениях: а) 0 В; б) 345 В; в) 752 В

Наблюдаемые явления объясняются следующим образом. При подаче напряжения в поверхностном слое кристалла формируется периодическое распределение электрического поля, изменяющего показатель преломления. Таким образом, создается фазовая решетка Рамана-Ната с удвоенным периодом 2с1. В

Фазовое пропускное A<j>e(z), рад

-i— "irih

Ir 4

* -h

О 200 400 600 800 1000 Номер элемента ПЗС-матрнцы

б) "

результате появляются новые дифракционные порядки на угловых положениях ±1/2(1 и ±ЗХ/2с1, интенсивность которых увеличивается с ростом напряжения.

На рис.7 показаны зависимости интенсивности 0-го порядка от межэлектродного напряжения для нескольких циклов включения / выключения. Сплошная линия соответствует возрастанию напряжения, пунктирная - убыванию. Точками показана расчетная зависимость интенсивности 0-го порядка.

= 25

£

I -

I >5

3

10

___ N

Ч N

\ • N • N

• • л

30

I 25

= 20

1

2

I 15

\

400 пряжение, В

а)

б)

Рисунок 7 - Измеренная зависимость интенсивности 0-го порядка дифракции от напряжения: а) первый цикл переключения; б) второй цикл переключения.

Ниспадающий вид полученных зависимостей обусловлен формированием в кристалле рассеивающей фазовой дифракционной решетки Рамана-Ната с удвоенным периодом 2с/. Эта решетка вызывает двукратное уменьшение дисперсии дифракционной решетки и перераспределение излучения в углы ±Х/2с1, ±ЗА/2с1. Гистерезисный характер зависимостей на рис.7 связан с возникновением иглообразных оптических неоднородностей в межэлектродном зазоре (рис.8).

а) б)

Рисунок 8 - Иглообразные оптические неоднородности в поверхностном слое кристалла ниобата лития: а) между электродами; б) на краях электродов

Наблюдение в поляризационном микроскопе показало, что оптические неоднородности практически полностью формируются в первом цикле переключения

12

напряжения. Это подтверждается зависимостью /о(ТД где отличие прямой и обратной ветвей максимально для первого цикла переключения (рис.7, а).

Исследовалось возникновение и развитие оптических неоднородностей в межэлектродном зазоре при напряженности электрического поля до 106-107 В/м. Исследование производилось поляризационно-оптическим методом. Поляризатор ориентировался параллельно оптической оси г кристалла. Ось анализатора составляла угол от 5° до 30° с оптической осью. Наблюдение неоднородностей в такой конфигурации означает, что в их окрестности существует электрическое поле Еу, параллельное ^-оси кристалла и электродам. Наличие электрического поля Еу, согласно уравнению индикатрисы, вызывает деполяризацию излучения. Это снижает чувствительность дифракционных порядков к напряжению. В результате интенсивности 0-го и ±1-ых порядков на рис.7 не снижаются до нуля.

На рис.9 приведены основные этапы развития иглообразных оптических неоднородностей в межэлектродных зазорах при различных напряжениях.

в) г)

Рисунок 9 - Образование оптических неоднородностей: а) и=0 В; б) и=660 В; в) и=686 В; г) и=686 В с выдержкой 60 сек

При отсутствии напряжения поверхность кристалла имела однородный серый окрас (рис.9, а). Электроды обладали достаточной толщиной и сплошностью структуры и были непрозрачны для осветителя (показаны черным).

При напряжении около 120-130 В наблюдалось возникновение темной и светлой полос, параллельных торцам электродов (участок 1 на рис.9, б-г). Наблюдение полос в приэлектродной области шириной 15-20 мкм при расстоянии от торца отрицательного электрода до верхнего положительного 500 мкм сообщает о локализации электрического поля Еу. Следовательно, можно предположить наличие слабосвязанных носителей заряда в поверхностном слое кристалла, перемещаемых полем электродов перпендикулярно полярной оси.

При напряжениях от 120-130 до 630-660 В между электродами наблюдались иглообразные оптические неоднородности длиной до 25-30 мкм, перпендикулярные электродам. Наблюдение неоднородностей было возможным регулировкой механизма фокусировки в пределах 10-20 мкм. Их зарождение начинается у отрицательных электродов. Одностороннее развитие неоднородностей объясняется влиянием внутреннего поля кристалла вдоль полярной оси г.

Исследование роста иглообразных неоднородностей показало, что при напряжении до 630-660 В их длина определяется только приложенным напряжением (область 2 на рис.9, б). По достижении 686 В происходит скачкообразное увеличение числа и размеров неоднородностей в 2-3 раза (область 3 на рис.9, в). Начиная с 686-713 В их длина увеличивается со скоростью ~1 мкм/сек при постоянном напряжении. Таким образом, в течение 1 -2 мин формируются сквозные неоднородности между электродами (область 4 на рис.9, г).

Оптические неоднородности сконцентрированы вблизи краев электродов (рис. 8,а). Это объясняется локальным увеличением напряженности поля £г в 2-3 раза вблизи острых краев электродов на расстоянии до 20-30 мкм от них. Наиболее крупные неоднородности располагались у прямоугольных углов электродов (рис.8,б). Как показывают расчеты, при реальном радиусе закругления углов Л=5-10 мкм напряженность Ег на углах дополнительно возрастает до 1,5-2 раз.

На рис.9,в,г заметно существенное отличие размеров близко расположенных неоднородностей. Их исследование установило влияние дефектов границ электродов на образование неоднородностей. Выступы размером 2-5 мкм формировали неоднородности даже в глубине межэлектродных зазоров (рис.10).

Рисунок 10 — Образование оптической неоднородности на дефектах границ электродов: 1 - микровыступ электрода, 2 - оптическая неоднородность

Время жизни неоднородностей составляет не менее нескольких недель в лабораторных условиях. Нагрев образцов на воздухе при 150-170°С в течение 10 мин устраняет оптические неоднородности.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1 Разработан поляризационный метод оценки фазового пропускания управляемых дифракционных решеток на основе ниобата лития х-среза, основанный на изменении пропускания по интенсивности в результате деформации эллипсоида показателей преломления электрическим полем, действующим вдоль оптической оси. Теоретически и экспериментально установлено, что метод применим для оценки фазового пропускания межэлектродных зазоров а=140±5 мкм на удалении 300-600 мкм от торцов электродов. Вблизи торцов электродов реализация метода затрудняется составляющей электрического поля, действующей перпендикулярно оптической оси, дополнительно вызывающей поворот эллипсоида показателей преломления. Предложенный метод обладает меньшей трудоемкостью по сравнению с интерференционным методом и лучшим пространственным разрешением по сравнению с методом Шака-Хартмана.

2 Исследовано фазовое пропускание управляемых дифракционных решеток на основе ниобата лития х-среза с периодом с1=300±5 мкм, межэлектродным зазором а= 140±5 мкм и чередующимися потенциалами электродов. Установлено, что фазовое пропускание в межэлектродном зазоре близко к равномерному, а его чувствительность к напряжению составляет 1,53±0,05 мрад/В при напряжении до 120-130 В. Для напряжения свыше 120-130 В нарушается равномерность фазового пропускания в центральной части межэлектродного зазора, увеличивается фазовое пропускание на расстоянии до 20-25 мкм от краев электродов. При повышении напряжения в межэлектродном зазоре появляются иглообразные оптические неоднородности, вызывающие деполяризацию и рассеяние излучения.

3 Исследовано влияние приложенного напряжения и возникающих оптических неоднородностей на диаграмму направленности управляемых дифракционных решеток на основе ниобата лития х-среза. Обнаружено уменьшение интенсивно-стей 0-го и ±1 дифракционных порядков до 44-50% при увеличении напряжения до 792 В в результате формирования в кристалле периодической фазовой решетки под действием электрического поля. Показано появление новых порядков между 0 и ±1 максимумами. Отмечено снижение интенсивности 0-го порядка на 12% в трех последующих циклах включения-выключения напряжения, обусловленное появлением в межэлектродном зазоре шириной а=140±5 мкм иглообразных оптических неоднородностей длиной до 100 мкм, шириной до 10 мкм, перпендикулярных электродам. Установлено, что формирование неоднородностей начинается вблизи прямоугольных углов электродов, где напряженность поля повышена в 1,5-2 раза по сравнению с межэлектродным зазором. Показано, что в зарождении неоднородностей принимают участие микроскопические дефекты границ электродов. Отмечено кратное увеличение числа и размеров неоднородностей в межэлектродном зазоре д=140±5 мкм при достижении напряжения 686 В. Зафиксировано распространение неоднородностей со скоростью ~1 мкм/с при напряжении 686-713 В. Выявлено электрическое поле в области неоднородностей, вызывающее деполяризацию и рассеяние излучения в поверхностном слое ниобата лития х-среза.

Основное содержание диссертации опубликовано в изданиях:

В рецензируемых периодических изданиях, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией:

1 Матюнин, С.А. Особенности фазирования электрооптических поверхностей [Текст] / С.А.Матюнин, Г.И.Леонович, В.Д.Паранин // Известия Самарского научного центра РАН. -2009. -Т.1. -№3. - С.82-89.

2 Matyunin, S.A. Modeling Phase Function of Controlled Diffraction Elements on the Basis of Linear Electro-optical Effect [Текст] / S.A. Matyunin, V.D.Paranin, V.l. Levchenko // Вестник СибГАУ. - 2009. - № 5(26). - C.56-60.

3 Паранин, В.Д. Моделирование фазовой функции управляемых дифракционных элементов на основе линейного электрооптического эффекта [Текст] / С.А.Матюнин, В.Д.Паранин, В.И.Левченко // Вестник СибГАУ. - 2010. - №1. -С.126-130.

4 Паранин, В.Д. Амплитудно-фазовые управляемые дифракционные оптические элементы [Текст] / В.Д.Паранин // Известия Самарского научного центра РАН. -2011. - Т. 13. - № 4. - С. 145-149.

5 Паранин, В.Д. Одноканальный вторичный преобразователь для спектральных волоконно-оптических датчиков [Текст] / В.Д.Паранин, С.А.Матюнин // Датчики и системы. - 2013. - № 7. - Вып. 13. - С.59-62.

6 Паранин, В.Д. Полупроводниковый лазер с двулучепреломляющим внешним резонатором для информационных систем со спектральным уплотнением [Текст] / В.Д.Паранин, С.А.Матюнин, К.Н.Тукмаков // Квантовая электроника. - 2013. -Т.43. - №10. - С.923-926.

7 Паранин, В.Д. Методика исследования фазовой функции управляемых дифракционных оптических элементов [Текст] / В.Д.Паранин, К.Н.Тукмаков // Квантовая электроника. - 2014. - Т.44. - №4. - С.371-375.

Техническая новизна подтверждена патентами на изобретение и полезную модель Российской Федерации:

8 Патент на полезную модель №94002 Российской Федерации, МПК G02F 1/03, Управляемая электрооптическая дифракционная решетка (варианты) [Текст] / В.Д.Паранин, С.А.Матюнин, В.И.Левченко; заявитель и патентообладатель ФБГОУ ВПО «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П.Королева»; № 2009147737/22, заявл. 22.12.2009, опубл. 10.05.2010.

9 Патент на изобретение № 2472194 Российской Федерации, МПК G02F 1/03, Устройство управления амплитудным пропусканием светового пучка [Текст] /

B.Д.Паранин, С.А.Матюнин; заявитель и патентообладатель ФБГОУ ВПО «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика

C.П.Королева»; № 2011116723/28, заявл. 27.04.2011, опубл. 10.01.2013.

Подписано в печать 10.10.2014. Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 1. Тираж 100 экз.