Физико-химические процессы в щелочногалоидных кристаллах и халькогенидных стеклообразных полупроводниках, определяющие регистрацию трехмерных голограмм тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.17 ВАК РФ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВ " ЧИЯ УКРАИНЫ

• О/!

ОДЕССКИ^ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. И.И.МЕЧНИКОВА

. На правах рукописи

ТЮРИН Александр Валентинович

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ЩЕЛОЧНОГАЛОИДПЫХ КРИСТАЛЛАХ И ХАЛЬКОГЕВИДНЫХ СТЕКЛООБРАЗНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКАХ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ РЕГИСТРАЦИЮ ТРЕХМЕРНЫХ ГОЛОГРАММ

Специальность 01.04.17 - химическая физика, в том числе физика горения и взрыва

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических "наук

ОДЕССА - 1995

Работа выполнена в Научно-'йсследовательском институте физики одесского государственного университета им. И.И.Мечникова. .

Официальные оппоненты.- , доктор физико-математических наук,

профессор Кувшинский Николай Георгиевич

доктор физико-математических наук, профессор МихаЯленко Виталий Иванович

доктор физико-математических наук, профессор Шевчук Владимир Георгиевич

Ведущая организация - Черновицкий государственный университет

Защита состоится ¿-0^995 года в "

•аалвпятн-тч лплииагмчмпллаиилгл"' лгаоипгл • ГлАДФа

"часов на

заседаннки специализированного" • ученого Совета : Д.06.01.06 Одесского государственного- университета им. . И. И.Мечникова С270100,г1.0десса, ул. Пастера 27, НШФ'ОГУ-, БФА)

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке . Одесского государственного университета

.Автореферат разослан "!Л>сЛ& 1995 г.

Ученый секретарь специализированного Совета кандидат физико-математических наук,

доцент • С-.В.МАРГАЩУК

- 3 - • ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Развитие и практические приложения трехмерной голографии во многом сдерживаются отсутствием необходимых регистрирующих сред (РС). Для того, чтобы трехмерные свойства голограмм проявлялись наиболее ярко, толщина светочувствительного слоя, должна составлять ~100 мкм и более.-светочувствительные эмульсии, которые широко применяются в двумерной голографии (сереброгалоидные, на основе бихромированной желатины и др.), обеспечивают фиксацию голограммы в слое толщиной не более -20 мкм. Поэтому поиск и разработка РС для трехмерной голографии в настоящее время является насущной и актуальной проблемой, в значительной степени определяющей ее успешное развитие.

В разработке РС для' трехмерных пропускающих голограмм (ТПП наметились два подхода. Первый из них связан с усовершенствованием химико-фотографической обработки светочувствительной среды и представляет собой двухступенчатый процесс, на первой стадии -экспонировании фотослоя - РС играет пассивную роль, запоминая распределение интенсивностей проходящих через нее пучков. На второй стадии это распределение усиливается и фиксируется с помощью использования различных химико-фотографических обработок. Возможность, усиления и закреплени* действия излучения на РС обеспечивает двухступенчатому процессу такие важные преимущества, как высокая чувствительность к записи и сохраняемость записанной голограммы. Однако эти материалы; оказываются не пригодными для решения задач оперативной записи, обработки и преобразования меняющихся во времени волновых фронтов, что требует многократной регистрации и стирания информации. .

Второй путь заключается в переходе к РС, которые совсем не требуют какой-либо промежуточной обработки и изменяют свои оптические характеристики непосредственно под действием падающего на них излучения, формируя в, объеме среды динамическую голограмму. Для таких динамических голограмм стадии формирования и считывания оказываются неразрывно связанными и происходят одновременно, а сам процесс записи-считывания является одноступенчатым, что делает невозможным создание на их основе оптических элементов многократного использования и устройств хранения голограмм. ...

особое место в разработке РС для трехмерной голографии занимают фотохромные системы на основе аддитивно окрещенных

щелочно-галоидных кристаллов (АОЩГК) и халькогенидных стеклообразных полупроводников (ХСП). Эти материалы обладают многими преимуществами по сравнению с другими PC:' простотой изготовления; высоким разрешением на молекулярном уровне; многообразием фотоиндуцированных изменений; возможностью реализовать как динамическую, так и "архивную", а также и оптически реверсивную запись, не требующие для своей фиксации стадии химико-фотографической обработки. В связи с этим первыми PC, на которых было предложено осуществлять запись трехмерных голограмм и которые обладали всеми этими свойствами, были АОЩГК (Van Heerden p.j.//Appi. optics.- 1963.- v.2- P.39S-400). однако указанные фотохромные PC ке получили широкого использования из-за амплитудного характера записи и, как следствие, очень низкой 12Ж) дифракционной эффективности (ДЭ) голограмм в АОЩГК и недостаточной изученностью механизма записи в ХСП.

Все эти недостатки, на наш взгляд, не носят принципиального характера. Действительно, изменение спектра поглощения .всегда сопровождается изменением дисперсии среды и, следовательно, существует возможность получить при записи в фотохромной среде не только амплитудную, но и фазовую модуляцию.: Тем самым, фотохромные системы открывают еще одну физическую возможность для получения нового класса ТПГ- амплитудно-фазовых. Кроме этого, большинство фотохромных преобразований в АОЩГК и ХСП являются электронно-ионными фотохимическими процессами и, следовательно, поддаются-термической активации, это делает возможным осуществление фиксации голограмм изменением .температуры материала.

Вышеперечисленное может служить достаточным -основанием для того, чтобы-исследования явлений, связанных с дифракцией света в ТПГ, полученных на основе фотохимических процессов ъ АОЩГК и ХСП, образовали' свое самостоятельное научное направление. Более тщательное и разностороннее изучение указанных фотохромных систем с целью устранения характерных для них недостатков откроет новые возможности для практического применения оптической дифракции на трехмерных упорядоченных структурах и является безусловно актуальным для физики трехмерной голографии. ;

Цель работы заключалась в изучении механизмов термически активируемых фотохимических процессов в АОЩГК и ХСП, используемых для записи амплитудно-фазовых ТПГ с высокой да и создании на

их основе объемных молекулярных дифракционных структур для оптико-электронных устройств различного назначения.

Дяя достижения поставленной цели необходимо было решить следующие основные задачи:

- разработать методики и провести комплексные исследования электрофизических и оптических свойств АОЩГК и ХОТ в процессе фотохимических превращения, ответственных за объемную гологра-фическую запись;

- разработать методы контроля в широком спектральном диапазоне пространственной модуляции коэффициента поглощения и показателя преломления фотохромной среды в процессе формирования в ней амплитудно-фазовой ТПГ;

. - установить закономерности и механизмы управления параметрами материалов как сред для, записи амплитудно-фазовых ТПГ посредством различных факторов (состава, структуры, условий получения, облучения, термообработки и др.);

- разработать на основе установленных закономерностей и специфических свойств термически активируемых фотохимических процессов в АОЩГК и ХСП новые способы объемной топографической записи, обеспечивающей получение оптически устойчивой трехмерной молекулярной дифракционной структура с управляемыми параметрами;

- изучить дифракцию света на таких структурах и разработать на их остове оптические элементы для оптико-электронных устройств различного назначения.

Для решения поставленных задач использованы технологические иетоды управления свойствами материалов посредством легирования <х примесями и изменением стехиометрии, а также методы когерент-юй оптики, голографии, диэлектрических потерь, спектроскопии, фотопроводимости. Работа,ь основном,экспериментальная, отдельные->азделы имеют методический ирэсчетно-еналитическия характер.

Научная иооызпа результатов состоит в следующем:

1. Впервые на остове разработанных методов и-средств измерима развит системный подход и проведены комплексные исследова-мя процесса записи и характеристик амплитудно-фазовых ТПГ в ЮЩГК И МОНОЛИТНЫХ ХСП. При ЭТОМ:

- экспериментально обнаружено наличие в таких материалах есколысих конкурирующих фотоиндуцированных процессов, приводя-; шх к записи амплитудных и фазовых компонент голограммы, которые

не смещены или смещены по фазе на % относительно записывающей интерференционной картины.' Характер указанных процессо6 зависит от температуры, при. которой происходит запись голограммы!

- при регистрации трехмерной пропускающей дифракционной решетки (ТПДР) использована система пространственной стабилизации записывающей интерференционной' картины;

- измерена дисперсия амплитуд модуляции коэффициентов поглощения и преломления для ТПДР в широкой спектральной области, достаточной для применения соотношения Крамерса-Кронига;

- выявлены новые эффекты, связанные с диффузией, избирательным разрушением и анизотропией центров светочувствительности и носителей информации, рассеянием. света,: несинусоидальностью

, профиля решетки, влияющие на свойства регистрируемых. ТПДР.

- селективные свойства амплитудно-фазовых ТПДР использованы для создания приборов и устройств принципиально нового класса.

2. Впервые экспериментально проведен аналиа физических причин, вызывающих феноменологически одни и те же явления диэлектрических потерь при объемно-зарядовой и дипольной поляризации о АОЩГК и монолитных ХСП на основе сульфида мышьяка. При этом:

- обнаружена зависимость релаксационных диэлектрических потерь от амплитуды прикладываемого напряжения;

- выяснена природа релаксационных максимумов, относительно которых не было однозначного мнения;

- осуществлен новый методический подход к измерению проводимости и фотопроводимости,- установлено наличие нескольких механизмов переноса.

носителей заряда в аз-з. При'низких температурах наблюдается прыжковая проводимость, обусловленная туннельными переходами носителей с одного дефекта на другой, а при высоких - "зонная" проводимость по делокализовзнным или локализованным состояниям вблизи порога ПОДВИЖНОСТИ;

- обнаружена прыжковая фотопроводимость материалов системы Аэ-э нестехиометрического состава с избытком серы..

3.Впервые выполнен комплекс исследований по изучению основных изменений, происходящих в оптических, диэлектрических и фотоэлектрических свойствах АОЩГК и монолитных ХСП в процессе термо- и фотохимических превращений. Экспериментально установлено:

- коагуляция г-центров в коллоидные центры приводит к гене-

рации свободных катионных вакансий и- центров акцепторного типа, которые находятся в термодинамическом равновесии, с коллоидами;

- ионные процессы, лимитирующие скорость' фотохимических преобразований г-центров в АОЩГК, не зависят от вида. примеси, продуктов фотолиза и определяется подвижностью бивакансии с энергией активации ~ 0,65 эВ;

- в кристаллах ш с примесью кальция и гидроксильных ионов фотолиз F-центров (т>200°С) сопровождается образованием продуктов, не поглощающих в видимой и ближней ИК-области спектра;

- фотопотемнение и фотопросветление, наблюдаемые в Аз-s при Т>120°С инициируются свободными носителями при участии собственных дефектов (D-центров) и не.являются взаимообратимыми. Фотопотемнение связано с перезарядкой, а фотопросветление - с уменьшением концентрации D-центров вследствие фотохимических реакций.

Практическая значимость

1. Развиты, элементы теории и методики исследования фотохимических процессов в диэлектриках и стеклообразных полупроводниках, а также определения оптических параметров амплитудно-фазовых ТПГ записанных на их основе.

Z. Разработаны PC, работающие в режиме записи негативного или позитивного изображения в реальном масштабе времени.

3. Предложена технология изготовления методами голографией оптики объемных дифракционных структур, представляющих собой комбинацию из ТПДР. На основе' таких элементов разработаны оптико-электронные устройства различного назначения: для модуляции и стабилизации интенсивности светового луча, преобразования фазовых колебаний в амплитудные;, для разделения светового пучка с управляемым соотношением интенсивностей' разделенных пучков в интервале 041; для измерения в автоматическом режиме линейных и угловых перемещений одновременно по двум координатам.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Методы определения изменений коэффициента поглощения Аа и показателя преломления An в амплитудно-фазовой ТПДР.

2. Метод исследования электронно-ионных процессов. при фотохимических превращениях в диэлектриках и полупроводниках с ярко выраженными поляризационными и контактными явлениями.

3. Методика определения энергии образования собственных дефектов в ХСП состава аз-з путем исследования, фотоэлектрических

- б -

и оптических свойств материала в процессе дефектообразоьания.

4. Механизмы релаксационных диэлектрических потерь, электропроводности и фотопроводимости в ХСП и АОЩГК.

. 5. Механизмы термо- и фотохимического преобразования F-центров в более сложные центры окраски в аддитивно окрашенных кристаллах хлорида калия.

■6. Обнаружение корреляции кинетик фотопроводимости и оптического поглощения в процессе облучения образцов as-s интенсивным светом He-Ne лазера, что позволяет выяснить механизм фотохимических реакций, инициируемых свободными носителями.

7. Механизм фотостимулированного залечивания собственных дефектов в стеклах системы as-s.

6. Механизмы высокотемпературной голографической записи в монолитных хсп состава as-s и аощгк (A.c. № 1459490).

9. новые фотохромные кристаллы на основе АОЩГК, легированных примесями, и способы оптической записи в них, применимые для создания элементов оптических систем (A.c. №533079, №606523, №666524, №1327705). •>

10. Технология изготовления методами голографной оптики объемных дифракционных структур, представляющих собой комбинацию из ТПДР и использование их в качестве оптических элементов для оптико-электронных устройств различного назначения (А.6. №1053056, №1437602, №1426166, №1657940, №1696655).

11. Обнаружение для несинусоидальных решеток с сильной связью не одного, а, как минимум, двух дополнительных колец рассеяния и их интерпретация. .

Апробация работы. Результаты диссертации двкладывались и обсуждались на Всесоюзной конференции "Физика диэлектриков и перспективы. ее развития" (Ленинград, 1973), Выездной сессии комиссии по химии фотографических процессов АН СССР, посвященной 250-летаю АН СССР (Одесса, 1974), Международной конференции "Аморфные полупроводники-78" (Пардубице, 1976), н Республиканской конференции "Фотоэлектрические явления в полупроводниках" (Одесса, 19Ö2), Всесоюзном совещании "Фотохимические процессы регистрации голограмм" (Ужгород, 1962), vn Всесоюзном се-ылнзре по оптическим и электрооптическим методам и средствам передачи, преобразования, переработки. и хранения информации (Москва, 1962), v Всесоюзной конференции по голографии (Рига,

1965), 69-ом. Конгрессе итальянского физического общества (Мессина, 1963), V Всесоюзной конференции "БессереОряные и необычные фотографические процессы" (Суздаль, 1866), Республиканской научно-технической конференции "Голографический корреляционный анализ и регистрирующие среды" (Киев,1986), VI Всесоюзной конференции по голографии (Витебск, 1990), ш, IV Всесоюзных конференциях по физике и технологии тонких полупроводниковых пленок (Ивано-Франковск, 1960, 1993), Международном семинаре "ьампашз-э*", Лазерная микротехнология и лазерная диагностика поверхности (Черновцы, 1991), 15 и 16-ой научно-технических конференциях "Высокоскоростная фотография, фотоника и метрология быстропротекающих процессов" (Москва, 1991, 1993), V Международной конференции по химическим сенсорам (Рим, 1994).

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 41 научной статье, 10 авторских свидетельствах, а также в 13 тезисах указанных выше конференций. Всего 64 публикации.

Участие автора в полученных результатах, изложенных в диссертации: автору принадлежит обоснование и выбор направления ' исследований, постановка всех задач на разных этапах выполнения работа, анализ теоретических и экспериментальных результатов, а также формулировка выводов и написание статей.

структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, она содержит 250 страниц машинописного текста, 109 рисунков и список литературы из 451 наименования. Общий объем работы 413 страниц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во сведении дана история вопроса, обоснована актуальность направления исследований, формулируются цель и задачи работы.

В первой главе рассмотрены способы получения средствами го-пографной • оптики амплитудно-фазовой ТПДР, основные положения геории дифракции света на такой решетке, а также методы исследования фотохимических процессов в РС,. Методы основаны на определении основных голографических параметров решетки в процессе ее $аписи и исследовании фотодиэлектрических потерь в светочувстви-гельном материале. Указанные методы характеризуются высокой (увствительностью и позволяют изучать фотохимические процессы три весьма малых степенях превращения, исходного вещества

(Зверьков Б.А., Савельев В.В., Банников A.B.// УФН- 1990.- Т.26. - С.69 - 102).. Кроме этого, использование метода фотодиэлектрических потерь позволяет: избавиться от контактных и поляризационных явлений, приводящих к необратимым изменениям фотоэлектрических свойств исследуемых соединений; различить миграцию носителей заряда по нелокализованным и локализованным состояниям; измерять в высокоомных материалах быстропротекающие электронно-ионные процессы; осуществлять контроль за принимающими участие в фотохимических реакциях электрически нейтральными комплексами,. состоящими из заряженных точечных дефектов (примесь-вакансия, две вакансии и др.).

Голографические методы исследования, в отличие от предлагаемых ранее, дают возможность осуществить спектральные исследования изменений коэффициента поглощения

да(х)= Ш + Аао-соз(кх + Дфа) (амплитудная составляющая). (1) и показателя преломления

An(x)«= in + Ldq• cos(Kx + Дфп) (фазовая составляющая) • (2) светочувствительной среды в диапазоне, достаточном для использования соотношения Крамерса-Кронига, а также установить фазовые сдвиги ' соответственно амплитудной (Дфа) и фазовой (Дфп) компонент регистрируемой решетки относительно записывающей интерфе^ ренционной картины НхЬ ~ ■ Ci + cosKx) , (3).

что имеет важное значение для выяснения роли диффузионных процессов в. механизме голографической записи.

Для раздельного определения да, Дао и Дпо в широком спек--тральном диапазоне без использования когерентного света, необходимо измерить интенсивности дифрагированного i3(6) и проходящего i„(9) пучков при освещении решетки монохроматическим светом под углом Брэгга (в),'и интенсивность проходящего небрзговского пучка:-.

•ir(5) (VöbO), тогда "

. (4).

_ лсозе Г i»(Q) - is(9) 1 ■' f6)

О 4KL arccos[ J ' lbJ

где i.- толщина решетки; Х- длина волны считывающего света.

Для решения" задачи, связанной с определением Ш, дао, Дпо,

- и -

Афа и АФп в реальном масштабе времени ^ нами предлагается метод, основанный на том, что в процессе записи решетки двумя сходящимися пучками света равной интенсивности 1о анализируется зависимость ичтенсивностей прошедших через решетку пучков света 11 и 1г от искусственно вносимого фазового рассогласования Аф двух формирующих решетку пучков света, обусловленного кратковременным (по сравнению со временем записи решетки) изменением фазы одного из падающих пучков. Тогда общий фазовый сдвиг решетки относительно интерференционной картины (3) составляет аф + лф (в аощгк и ХСП Дфа»Афп»Аф), а величины г и г задаются выражениями:

1х-1а*ехр] * .соз(Д!|НАф}-з1пУ'з1п(Аф»-Аф^, (?)

1,-1, .ехр[- "¿^¡д- ] • <соз(Аф+Аср)+з1пг''з1п(Аф»-Аф)^, (6)

гх-Ап а

_ о

Х.'соз0|

Аа -ь

О

г-созО X

Рис. 1. Траектория, описываемая лучом осциллографа, при изменении фа-, зового рассогласования между записывающими пучками ОТ О ДО 2х.

Если теперь А<р изменяется от О до 2х, а сигналы с фотоприемников, регистрирующих интенсивности 11 и Х1, поданы соответственно на входы х и у осциллографа, то луч осциллографа опишет эллипс (рис. 1). Измерение величин полуосей. "а"

и "ь" и смещение "х " центра этого эллипса относительно точки I -I -о поз-

О 1 , I X

воляет по этим измеренным значениям определить амплитудную ги(Аао) и Фазовую г>(Ап0) модуляции, а также изменение среднего коэффициента поглощения Ш в решетке: .;

V - (-!)"■ .агоащ» — где го- 0, 1, 2 ... .о а

Л .т

'Т т

(9)

(10)

Я®- ТГ

<соз©>1п

№

г< 1,

Ш)

дГ смещение : Аф регистрируемой 1 решетки относительно записываю-

щей пространственно стабильной интерференционной картины можно определить б моменты, когда искусственно вносимое рассогласование между ними отсутствует (Лс^О). Ь этом случае луч осциллографа находится в точке з эллипса (рис.- 1), координаты которой Х^ и V могут быть вычислены по формулам

X = -/г 1о.ехр[- } 'СОЗЛФ , (12)

У- -/Г 1,.ехр[- ] .з1г»ггУа.з1пАф , (13)

отсюда С а 1

Аф= аГс1й | • — | . (14)

I }

Из (14) следует, ч?о 6 точке 1 (рис. 1) Дф»0, а 6 точке 2- Аф*я.

Вторая глава посвящена изучению механизма фотохимической коагуляции г-центроь в АОЩГК без примесей и со специально введенными катионной и анионной примесями. Обнаружен ряд новых фактов, не укладывающихся в рамки моделей, предлагаемых, ранее для анализа фотохимической коагуляции г-центров в этих кристаллах: образование промежуточных центров, ответственных за уменьшение фотопроводимости -и наведенное поглощение с максимумом на Л«720 нм; исчезновение релаксационного максимума, обусловленного поляризацией комплексов "примесный двухвалентный ион-катионная вакансия"; генерация катионных вакансий и центров акцепторного типа, которые находятся в термодинамическом равновесии с коллоидами; образование продуктов • фотолиза, не поглощающих в видимой и ближней ИК- облает« спектра и др.

Для объяснения механизма коагуляции т-центров с учетом полученных результатов предполагается, что в результате фототермического разрушения г-центра возникает бивакансия, которая мигрирует либо к примесному иону с образованием г или г^центра, либо к невозбужденному г-центру с образованием промежуточного мв~центра (два г-центра вблизи катионной вакансии), который после отделения катионной вакансии преобразуется в м-центр. В образовании бивакансии принимают участие в первую очередь те катион-ные вакансии, которые располагаются вблизи г-центров и находятся с ними во взаимодействии (Гд-центр). Это взаимодействие проявляется в том, что в кристаллах, содержащих г-центры, проводимость, обусловленная катионными вакансиями, уменьшается, а длинноьолно-

- 13 -

вой хвост г-полосы поглощения уширяется.

Тот факт, что образование м-центро& происходит через ста-' дию формирования промежуточных м0-центров, позволяет также объяснить, почему при достаточно большой остаточной концентрации г-а$нтро£> создание м-центров прекращается и начинают возникать на основе м-центров более крупные г^-центровые кластеры. Согласно предлагаемому нами представлению о механизме образования м-центров, процесс их создания контролируется распределением электронов на центрах окраски. Если это распределение определяется квззиурс&нем Ферми, который лежит выше энергии залегания уровня м~~иентрз (м0-центр, захвативший электрон), то м-центры образуются. Если же квазиуровень Ферми располагается ниже м~-центра и выше кГ-цёнтра (м-центр, захвативший электрон), то возникновение м-центроэ прекращается. Снижение квазиуроьня Ферми обусловлено накоплением м-центров в процессе засветки. С этого момента бивакансии будут захватываться м-центрами, образуя более крупные кластеры из г-центров.

фугой возмогхной причиной замедления процесса образования м-центров является уменьшение существующих в кристалле до облучения концентрации г0-центров. Создание таких новых структур взамен принявших участке в реакции образования м-центров возможно за счет миграции катионной вакансии к г-центру, что требует сравнительно большой энергии активации ~ 0,6 зВ и поэтому интенсивно может протекать только при. повышенных температурах. В этом случае практически все г-центры могут связываться в кластеры, представляющие собой квазиметаллические образования (х-центры) довольно больших размеров (10 нм и больше). Катионные вакансии, обеспечивающие процесс коагуляции Р-центроа, после возникновения х-центров-высвобождаются, что и наблюдается на опыте.

В заключительной части главы рассмотрены вопросы, связанные с распределением гидроксильных ионов и зависимостью комплексо-образования от степени компенсации примесей в кристаллах хлорида калия, .а 'также процесс фототермическуго разрушения г-центроь в таких кристаллах. Показано, что в зависимости от условий компенсации катионных примесей ¿«ионными могут образовываться комплексы, обладающие различной структурой, что проявляется в различии., термической устойчивости и характере взаимодействия этих комплексов с ж-центрами. Процесс оптического разрушения г-центров в

. - 14 -

таких кристаллах сопровождается заполнением анионных вакансий ионами водорода н~ и кислорода о~, возникающих ь результате разрыва связей в гйдроксильной группе он. Поглощение центров н~ й о" приходится, на ближнюю ультрафиолетовую область спектра. В видимой и ближней ПК- области спектра для такого процеса можно добиться практически полного обесцвечивания кристалла.

• в третьей главе представлены результаты исследований термо-и фотохимических превращений в монолитных ХСП состава аз-з. Запись оптической информации в .таких материалах не-ие лазером наиболее эффективно осуществляется при достаточно высоких температурах, близких к их температуре размягчения т^ (120-1б0°С). При этих температурах фотолюминесценция и фотоиндуцированный с сигнал ЭПР. отсутствуют и поэтому особую роль в этом случае приобретают исследования электрических и фотоэлектрических свойств ХСП в процессе фотохимических реакций. Таким образом, при выяснении механизма высокотемпературных фотохимических превращений возникают вопросы о взаимосвязи фотоиндуцированных изменений оптических и фотоэлектрических свойств ХСП, а также о возможности описания этих изменений с единых позиций. Как показали исследования, решение этих вопросов довольно успешно, можно осуществить в .рамках модели с-центра, представляющего собой атомы халькогена (с) в необычных конфигурациях связи с°, с°, с*, с~, где нижний индекс указывает координацию центров (число химических связей), а верхний - зарядовое состояние.

Рассмотрим ряд обнаруженных нами характерных особенностей, фотопроводимости системы аз-з, • которые выделяют эти материалы среди других ХСП:

. 1.. Зависимость энергии активации стационарной фотопроводимости Даст от интенсивности возбуждающего. света: после достижения определенного уровня интенсивности освещения. анергия активации дсгт уменьшается вдвое (от 0,6 до 0,3 эв для аз^).

2. Своеобразие процесса долговременных релаксаций (спада) фотопроводимости в области температурной активации: мгновенное время релаксации ге растет по мере увеличения температуры, что ранее в других полупроводниках не наблюдалось.

3. В "режиме слабого фотоотъета (Дс^, < ат) фототок актива-ционно возрастает с температурой, хотя известные теоретические модели фотопроводимости ХСП предсказывают в данном случае уыень-

некие фототока с температурой. Следует подчеркнуть необычность этого явления, т.к. даже в близких к as-з по свойствам материалах состава as-зе и аз-te в области слабого фотоответа наблюдается термическое.гашение фотопроводимости.

4. Положение максимума температурной зависимости &с не зависит от интенсивности' возбуждающего света: в случаях как сильного, так и слабого фотоответа температура максимума совпадает с температурой размягчения материала т .

Показано, что первые три из перечисленных выше особенностей связаны только с процессами в электронной подсистеме. Так, изменение энергии ¿ктивации Ао в рамках модели D-центров можно объяснить сменой канала рекомбинации неравновесных носителей, а именно: при низких интенсивностях возбуждающего света преобладает межцентровая рекомбинация 2d° ■» d+ + хГ (15) и энергия активации фотопроводимости представляет собой энергетический зазор Evo между акцепторным уровнем 1>0-центра и валентной зоной. При высоких интенсивностях основную роль играет захват свободных дырок на уровни о°-центров Ф° е+ d+) и энергия активации фотопроводимости вдвое меньше, чем при туннельной рекомбинации. Такая интерпретация позволила определить положение уровней D°-rieHTpoB в запрещенной зоне (для A3tss evo« 0,6 эВ).

Сменой канала рекомбинации в процессе долговременных релаксаций фотопроводимости (ДРФ) объясняется и увеличение т. с температурой. Действительно, на участке неэкспоненциального спада фотопроводимости, который и исследовался нами, г. дается выражением Vl7'NoJ~1- Где No~ концентрация неравновесных d°- центров, a y - коэффициент межцентровой рекомбинации (15). отсюда следует, что если в стационарных условиях основным каналом рекомбинации был прямой захват, а ДРФ определялись туннельной рекомбинацией (15), то тс должно возрастать' с ростом температуры, т.к. величина j слабо зависит от .температуры, а No(T)~exp(Evo/2kT) и резко убывает с увеличением температуры.

Третью характерную особенность фотоэлектрических свойств в системе As-з мы также, связываем с тем обстоятельством, что 7 слабо зависит от температуры. В самом деле, как показано Моттом, в случае слабого фотоответа фотопроводимость зависит от темпера- г.

туры по закону Aq^xpj^ т j, где энергия активации

реакций (15), а-- энергия, которая выделяется при такой реакции, б и поэтому при слабом фотоответе фотопроводимость

убывает с повышением температуры.

В аэ^ соотношение между параметрами и и £уо иное. Величина и, найденная нами из результатов измерений темновой электропроводности составляет (0,7 о,8) эб. Значение Еуо, определенное из данный по стационарной фотопроводимости, составляет 0,6 эВ. Поэтому фотопроводимость может термически активироваться и при слабом фотоответе, если ее >и+2ае. Последнее не противоречит оценкам эе, определенным из температурной зависимости т.

Итак, специфика процессов рекомбинации обусловливает первые три из перечисленных выше особенностей фотоэлектрических свойств в системе аз-5. Существование максимума температурной зависимости Аст , положение которого совпадает с т и не зависит от интенсивности возбуждающего света, может быть обусловлено только увеличением концентрации дефектов при приближении к т . Это подтверждается также наблюдавшимся нами значительным увеличением энергии активации коэффициента оптического поглощения света не-Не лазера в этой области температур.

Основываясь на предлагаемых представлениях о природе температурного максимума Ш , можно определить энергию образования V/ собственных дефектов в материалах системы аз-5. Действительно, если возрастающая Еетьь максимума температурной зависимости До имеет , вид Даст~ехр(-Е /нт), а спадающая- Аает~ехр(Ес/кТ), где

е.-м-е , то отсюда следует, что эВ. это значение прохта--

с р

чески совпадает с энергией активации температуркой зависимости коэффициента поглощения света Не-Ые лазера в высокотемпературной области. Проведенная нами оценка величины V/ при температурах, достаточных для эффективного образования собственных дефектов в материале, представляется более точной, чем косвенные ее оценки на основе данных по исследованию фотоиндуцированного сигнала ЗПР и фотолюминесценции, которые наблюдается в ХСП лишь при К'П К.

Малое значение энергии- дефектообразования, а такке тот факт, что эта энергия совпадает с определенной нами независимым образом . величиной двухэлектронной корреляционной, энергии и, свидетельствует о том, что собственными дефектами в исследуемых нами материалах являются Б-центры.

следует отметить, что при температурах, превышающих т , по-

б

лощение уровня Ферми не меняется, о чем свидетельствует постоянство Енергаи активации а, при т>т^. Этот факт можно рассматри- • вать, кгх свидетельство образования в равных количествах положительно и отрицательно заряженных дефектов, посередине между уровнями которых'расположен уровень Ферми.

Как известно, процессы фотопотемиешя \\ фотопросвехленмя - (едвяг кргя фундаментального поглощения в 'длинноволновую или коротковолновую область, соответственно), наблюдаемые .в пленочных образцах ХСП при низких температурах, обычно интерпретируется на основе конфигурационной модели, предусматривающей термооп-тичоские переходы ме^ду основным и метастабильным состояниями в ХСП, и являются в рамках этой модели обратными квантовомехани-ческими переходами. Для выяснения вопроса обоснованности подобных представлений длл высокотемпературных превращений в монолитных ХСП мы исследовали кинетику нарастания фототока в стеклах трисульфида мышьяка при облучении их интенсивным светом не-Ме лазера при температурах выше ЮО°С. При этом было обнаружено:

1. Инерционность процесса релаксации фототока возрастает с увеличением интенсивности возбуждающего света. Это явно указывает на происходящие в материале фотоструктурные превращения, а' не на простую перезарядку глубоких центров, которая под действием более интенсивного света должна была бы только ускоряться.

2. Для интенсивностей света порядка 0,1 Вт/см2 наблюдалась сложная кинетика релаксации квазистационарного значения фототока и оптического пропускания. Вначале имеет место уменьшение оптического пропускания и фототока (фотопотемнение), которое затем сменяется более медленным процессом нарастания оптического пропускания и фототока (фотопросветлением). ■ •

Наблюдавшаяся в процессе освещения смена фотопотемнения фотопросветлением свидетельствует, по нашему мнению, о том, что процессы, ответственные за эти эффекты, не являются обратными с микроскопической точки зрения.

Полученные экспериментальные дянныё позволяют выдвинуть следующую модель фотоструктурных превращений в стеклах трисульфида мышьяка. Под действием света Не-Ые лазера в' результате переходов с~+ььх;°+е~; с*+ьа>*с°+е+ генерируются электроны и дырки и возникают нейтральные состояния с^ .и Свободные носители-захватываются на с~- и с*-ценгры, что также увеличивает концен-

трацию нейтральных центров с* и с". Ближайшие пары нейтральных дефектов бзаимодействуют друг с другом туннельным образов, переходя б заряженные состояния с*+сОднако может реализоваться и другой путь эволюции ближайших пар; центр с" переходит в энергетически более выгодное состояние С®. При этом должен сильно понижаться барьер для образования атомов с нормальной координацией (с^) из атомов с необычными конфигурациями связей, т.е. возможна следующая последовательность реакций:

С° ♦ С° . 2С° - 2С° , (16)

1112

в результате которой количество собственных дефектов в материале уменьшается, фотостимулированное "залечивание" дефектов будет происходить до тех пор, пока оно не уравновесится термическим образованием дефектов из атомов с нормальной координацией:

2С° » с+ + с" (17)

111

Таким образом, под действием света и температуры в стеклах трисульфида мышьяка происходят два не обратных друг другу про^ цесса: фотопотемнение, обусловленное увеличением ^сечения поглощения фотона при образовании с°-центров из 1>+- и п~-центров за счет перезарядки, и фотопросветление, вызванное уменьшением концентрации собственных дефектов в результате фотохимической реакции и их оптического "залечивания". Следует подчеркнуть, что & рамках предложенной модели фотостимулированное фотопотешение (образование нейтральных ^-центров), является необходимым- условием для возникновения медленного процесса фотопросветления. Такой двухступенчатый процесс 'фотоструктурных превращений определяет также, как ^удет показано в следующей главе-, и механизм голографической записи в стеклах системы Аз-з.

В четвертой глазе приводятся результаты исследований по использованию фотохимических' превращений в ХСП и АОЩГК для голо' графической записи ГПДР. Необходимо отметить, что хотя наблюдаемые в этих материалах фотостимулированные изменения коэффициентов оптического поглощения Да и преломления Ап описаны во многих работах, однако фотоиндуцированные процессы, происходящие в периодическом интерференционном поле при голографической записи,. исследованы недостаточно. Это связано с тем, что использование для анализа голографической записи данных, полученных при однородной засветке образцов, оказывается на совсем корректным, ибо совершенно не учитыьйется возможная диффузия носителей заряда и

точзчных дефектов мезду областями с неодинаковой освещенностью. Для выяснения механизма голографическоЯ записи важное значение имеет определение характеристик голограммы непосредственно в процессе ее регистрации. Указанная задача кояет быть решена на основании предложенных нами методов измерения, рассмотренных в первой главе.

Как показали исследования, высокотемпературная запись в излучением Не-Не лазера начинается при температуре ~100°С и характеризуется следующими свойствами:

а) значение й возрастают в процессе записи (рис.2а);

Рис. 2. Кинетики изменения Аа; (1) и lâ (2) при записи трехмерной решетки в аз1Эя излучением Не-Не лазера для т-100°С(а) и т-150°С(б). ta'-ta созДф ; ta >0 ,

о О f о '

созАф=>±1.

б), иа протяженга всего времени записи t точка на гкране осциллографа находятся э положении 1 (рис. 1) и, значит, формируемая решетка не смещенз относительно распределения интенсивности ззписйвгющего ее света (Аф*0);

в) продолжительность стирания решетки при температура записи -2 мин., при комнатной. же температуре решетка термически устойчива*. хотя достаточно легко стирается в случае освещения ее светом из области собственного поглощения материала (оптическая неустойчивость);

г) температура, при которой начинается загладь (~100QC), соответствует наименьшей температуре установления термодинамического равновесия реакции d° i в" + ; - dô)

д). энергия активации записи равна 0,35±0,05 эВ, что составляет примерно половину энергии от уровня ю°-центра до валентной ЗОНЫ Evo/2-(0,3 + 0,4) ЭВ.

Перечисленные свойства свидетельствуют о том, что в данном случае возникают поляронная (определяется пространственной

неоднородностью распределения с°-центров) и биполярониая решетки. Биполярониая решетка ■ обусловлена пространственной неоднородностью распределения 1)+- и гГ-центров и ее возникновение связано с диффузией дырок кеаду освещенными и неосвещенными областями интерференционной картины (Стые Л.Е.// УФН.- 1990.- Т. xxvi.-С.41-45). -Соыгадеше значений До» Да позволяет заключить, что

О

практически все неравновесные Х)°-центры, образующиеся под действием света, участвуют ь формировании решетки. •

С повышением температуры образца (т>120°С) начинает проявляться двухстадийныя характер записи, это следует, пре»дь всего, го сложного вида зависимости Да' от I и несовпадения величин Да и Аао на поздних стадиях записи (рис. 26). Сначала, - как и раньше, образуются Х)0-центры, ответственные зэ увеличение среднего поглощения и формирование поляронной решетки, не смещенной относительно распределения интенсивности записывающего света. Затем возникающая решетка стирается и появляется решетка, амплитудная и фазовая компоненты которой смещены на х (точка на экране осцилографа перемещается в процессе записи из положения 1 в положение 2 (рис. 1)). для смещенной решетки ниже г<120°с наблюдается высокая термическая и оптическая устойчивость, а дифракционная .эффективность достигает 90%.

При формировании смещенной решетки в результате стирания . поляронной Да >дао(рис. 2^). Приведенное неравенство выполняется только в случае диффузии в°-центра между областями с неодинаковой освещенностью. Значит определяющим механизмом образования смещенной решетки является именно диффузия' с°-центра. Если бы стирание поляронной решетки происходило согласно реакции (16), то должно было бы выполняться условие ДагаДао и уменьшение амплитуды модуляции коэффициента поглощения дао сопровождалось бы уменьшением' Да, что не наблюдалось на опыте. Процесс стирания поляронной решетки значительно ускоряется при уменьшении периода записываемой решетки, что также свидетельствует о диффузионном механизме образования смещенной решетки. _ :

Механизм диффузии 1)0-центра в аз15> связан с взаимным преобразованием дефектов с° и Такое преобразование, дефектов энергетически, более выгодно, если оно осуществляется через выброс и захват; дырки этими дефектами с[ + е* • с° » с° (реакция (16)). Результатом диффузии ю°-центров (соответственно и

записи) является нарушение пространственно однородного термодинамически равновесного распределения дефектов (^-центров). Поэтому указанная запись происходит при температурах (т>120°С), когда наступает динамическое равновесие ке только для реакции (16), но и для реакции в" + е+ й 0+, требующей по сравнению с реакцией (16) больших энергетических затрат.

Для отожженных образцов аз-з кестехиометрического состава с избытком серы может наблюдаться запись, механизм которой отличен от описанных выше. Указанная запись происходит при температуре «60°с и характеризуется следующими свойствами:

а) в процессе записи величина лао возрастает;

б) амплитудная и фазовая компоненты решетки не смещены относительно распределения интенсивности создающего решетку света;

в) недеструктивное считывание светом из области собственного поглощения материала мо:хно осуществлять не только при температуре записи, но и при более высоких температурах;

г) существует четкая верхняя граница записи (т «1150С), превышение которой на небольшую величину (~1°С) приводит к скачкообразному прекращению записи и стиранию реше-.ки.

Приведенные результаты позволяют заключить , что у рассматриваемых образцов оптическая запись определяется образованием микроскопических включении фазы серп, происходили:: за счет диффузия р°-цсятроз, которме предстсэлязт собой избыточаь» атомы серы в свободном состоянии с°, возникающих под действием света в местах, гдэ К;0/о. Образующиеся атс;,:ы серы диффундируют в область минимума освещенности, и здесь ка дефектных парах (с*-с~) как на зародышах образуют кластеры серы (с^-чГ + + с° =»

■+ •> 5С° и т.д.). Этот процесс происходит т-эх пор, пока все свободные атомы серы во всем объеме образца не образуют кластеры серы, наибольшее число которых содержится в минимумах, освещенности.

Предложенный диффузионный механизм высокотемпературной го-лографичесгсой записи в монолитных образцах- принципиально отличается ,от механизмов локальной записи, реализуемой в пленочных образцах состава аз-з и интерпретируемых с помощью координатко-конфигурационных диаграмм (Краснов В.Ф., ■ Ремесник в.Г. //Автометрия.- 1960.- КЗ.- С.101-105; Любин З.Н., Федоров. В.А. ; //ФТТ,- 1981.- Т.26, вып. 6,- С.2315-2350). Это позволяет/.: по-

ло^дс*,

новому подойти к вопросу о дальнейших путях усовершенствования и перспективах использования таких материалов для трехмерной голо-графической записи.

Наилучшие результаты при регистрации ТПДР в АОЩГК были достигнуты нами с использованием F-x преобразования центров окраски и температуре записи ~2бО°С. Исследование спектральных зависимостей ¿ао, Дпо и Ш (с 'применением соотношений Крамерса-Кронига) показало, что амплитудная модуляция в такой решетке обусловлена .поглощением только в х-полосе, а фазовая - аномальной рефракцией вблизи х-полосы поглощения (рис. 3). Отсутствие в решетке F-центроь свидетельствует о диффузионном характере записи, обеспечивающей полное их преобразование в х-ценгры. справедливость этого предположения подтверждает также и своеобразный характер профиля' штриха решетки - узкие острые максимумы и широкие пологие минимумы с поглощением, близким к нулю (рис. 4).

Рис. 3. Дисперсия Аао, Дпо и Act в решетках, зарегистрированных в кристаллах Haci (1,2) и KCl (3,4). Экспериментальные значения ( —¿— hta_ ( -о- ЬАп ,( г

О

Сплошные линии-расчетные кривые с использованием соотношения Крамерса-Кронига.

Рис. 4.. Профиль решетки, нормированный по среднему'поглощению: 1-для решетки, записанной в KCl и востановленной по раз- • работанной нами Методике)

____2-для идеальной решетки

JÜ fl I jt Кх 1+cosKx.

Кинетика записи указанной решетки состоит из двух стадий и описывается кривыми, аналогичными изображенным на рис. 26. ' В начальный момент времени формируется позитивная решетка \Ш>о)

о'

У-Ш.

I х-центры расположены преимущественно в областях максимумов ютерференционной • картины. Затем эта решетка полностью затирает-:я (Аа'«о), после чего формируется уже негативная решетка Лачо), в которой х-центры расположены преимущественно в облзс-рях минимумов интерференционной картины.

Причиной возникновения негативной решетки является наличие зкцепторных свойств у х-центров. Так, в кристаллах квг х-центры гадими свойствами не обладают и образование негативной решетки в -шх нами не наблюдалось. Неравновесные электроны, локализуясь на к-центрах в областях минимума освещенности интерференционной картины, заряжают эти области отрицательно и тем самым стимулируют в этих областях дополнительный рост х-центров за счет дрейфовой диффузии анионных вакансий под действием электрического поля из областей максимума освещенности. Такая диффузия в оптимальных условиях (температуро. экспозиция) мшет приводить к полному разрушению х-центров в местах максимума освещенности. Естественно, что этими процессами определяются и условия получения оптимальных гологрофических характеристик (ДЭ, дифракционная чувствительность, недеструктивность считывания и др.). Так, например, при "замороженной" диффузии (т<250°С) происходило превращение в х-центры под действием света. Однако' ДЭ записанных решеток была.мала (менее 1Я) и в спектрах поглощения для этих решеток обнаружилось поглощение, характерное для г-центров.

Тот факт, что носителями информации в рассматриваемых голограммах являются х-центры, обуславливает еще одну характерную особенность записи. В процессе регистрации лазерное излучение действует как на г-, так.и на х-центры. Поэтому, креме преобразования г-центров, -дЬлхно происходить известное явление ¡вззвательного разрушения х-центров. Следовательно, после образования х-центров дальнейшая, экспозиция приводит к заметному ослаолению поглощения в области длин волн лазерного излучения и к асимметрии х-пог лощения. Как показали наши исследования, эффект избирательного разрушения х-центров обеспечивает увеличение ДЭ на 1020% и ДЭ решеток "может достигать значения -00%.

В , последнем разделе этой главы рассматриваются . вопросы, связанные с влиянием рассеяния света на процессы записи и считывания трехмерных голограмм. Рассеянный свет, будучи когерентным, интерферирует с основными световыми пучками,, создавая-до-

полнительную интерференционную картину. Таким образом, при голо-графической записи в трехмерной регистрирующей среде наряду с основной решеткой должна записываться также дифракционная рассеивающая структура.

Как показали исследования, дифракция света т таких решетках характеризуется значительно более широким спектром свойств, чем наблюдаемая в тонких или толстослойных голограммах. Она состоит из дифракционных максимумов, светлых линий, окружностей и дуг, количество, размеры и ориентация которых зависят от положения решетки относительно направления распространения дифрагирующего света. Установлено, что для несинусоидальных решеток с сильной связью характерно появление не одного, а, как минимум, двух дополнительных колец рассеяния. Для объяснения. наблюдаемых явлений используется известный в рентгеновской кристаллографии метод Эвальда, модифицированный Рагнарсоном.

Рассеивающая структура может быть полезной для- некоторых применений. Например, по наблюдаемому на экране изменению картины дифракции на рассеивающей структуре представляется возможным осуществлять пространственную ориентацию и предварительную юстировку объемных голограмм, что является важным, так. как их угловая селективность может составлять менее угловой минуты.

В пятой глава рассмотрены различные оптико-электронные устройства на основе ТПДР, записанных в АОЩГК и ХСП.

1. Светоделители с управляемым соотношением разделенных / пучков в интервале От1. В качестве разделительного элемента в этом случае используется плоско-параллельная пластинка, в объеме которой записана комбинация трехмерных решеток, в результате дифракции на которых и осуществляется разделение монохроматического светового потока на необходимое число лучей. В АОЩГК и ХСП во время одного цикла записи путем последовательного углового > перемещения регистрирующей пластинки можно было записать до двенадцати таких разделительных решеток. Векторы решеток ориентируются таким, образом, чтобы обеспечить необходимую пространст- . венную ориентацию разделенных пучков. Управление интенсивностями разделенных пучков осуществляется изменением ориентации раздели-тельнопо элемента относительно падающего луча. :

Рассмотрена возможность использования указанных раздели-, тельных _ элементов _ в приемных и.передающих трактах оптических ,

систем лазерных доплеровских анемометров (ЛДА). Показано, что использование такого программного светоделителя в ЛДА позволило создать ь исследуемом объеме высококонтрастную интерференционную картину и два независимых канала для включения приемников излучения. Кроме того, в приемных трактах ЛДА объемная решетка применяется не только ь роли элемента смешения пучков, но и для анализа фазовых модуляций информационного пучка - фазово-амплитудного преобразователя. Все это обеспечило по сравнению с применяемыми ЛДА повышение отношения сигнал-шум более чем в три раза. Погрешность измерений в диапазоне скоростей (0,1 ♦ 30) м/с составляла не более 1,5 Установка практически не была чувствительна к вибрациям.

2. Двухкоординатные. оптико-электронные устройства для измерения угловых перемещений и визирования. Анализатором в таких устройствах является комбинированная трехмерная решетка, состоящая из четырех подрешеток с перекрывающимися контурами угловой селективности на уровне 0,5 максимального значения дифрагированных пучков. Вектора подрешеток попарно ориентированы во взаимно перпендикулярных плоскостях. Дифргкция света на решетке обладает таким свойством, что каждая парэ подрешеток по изменению интен-сивностеп дифрагированных на них пучков может обеспечивать независимые . измерения углового смещения объекта по соответствующей координате. Точность измерений в диапазоне Or 15 угл.мин. составляет 0,5 угл.с, в диапазоне 0f5 угл.с - ОД угл.с.

3. Амплитудные модуляторы света и фазово-амплитудные преобразователи. В качестве модулятора используется стационарная объемная голографическая решетка. Модуляция интенсивности дифрагировавшего 1д и прошедшего 1п через решетку оптического излучения происходит в результате изменения во времени величина угла падения света на, решетку. Угол можно изменять двумя способами: 1) различной временной ориентацией решетки относительно падающего луча; либо - 2) сканированием светового потока в пределах угловой селективности решетки. Рассматриваемый способ обеспечивает модуляцию интенсивности по отношению к- падающему световому потоку только в пределах величины ДЭ решетки и для достижения 10095 модуляции исходного светового потока необходимо использовать объемную решетку с ДЭ » 1СШ (при условии, что нет or раже-, ния). Изготовление такой решетки является довольна - слокной.:>.п; , не -

всегда технически выполнимой задачей. Однако нами показано, чт мойно достичь 1002 модуляции и для решетки- с ДЭ - 5С«. в stoi случае модуляция создается за счет изменения фазы в одном из вы шедших из решетки пучков 1Д или .1п, которые в свою очередь пр; помощи зеркал пропускаются через решетку в обратном направлении.

Представляется возможным применять такое устройство и в ка честве фззово-амплитудного преобразователя (ФАГО для анализа фа зовых модуляций сигнальной волны. В общепринятых ФАП совмещени по Фронту сигнальной и опорной волн вызывает большие технически трудности и потери интенсивности. При. использовании рассматри ваемой схемы эти условия выполняются автоматически и настройк на полосы бесконечной ширины даse для произвольных фронтов опор ной и сигнальной волн не составляет каких-либо трудностей. Эт существенно, когда фронт сигнальной- волны, претерпевает искажени при переходе через тестируемую среду, например,, в лазерно доплеровской анемометрии. Кроме того, в данном случае за сче перекачки мощности из опорного пучка осуществляется процесс уси ления сигнальной волны, что приводит к резкому увеличению отно шенкя сигнал-шум в приемном тракте ЛДА. Это имеет большое'значе нив' при исследовании сильно поглощающих или рассеивающих сред.

4. Оптико-электронное устройство для измерения малых линей кых перемещений в нанометровом диапазоне. Указанный метод осно ьан на измерении смещения трехмерной пропускающей голографичес кой решетки, которая жестко закреплена не перемещаемом объект относительно интерференционной картины, образованной схождение! двух пересекающихся лазерных лучей под углом Брэгга, для данно решетки. Используемая решетка должна быть амплитудно-фззовоР амплитудная составляющая решетки позволяет' убрать яеоднознач кость при определении направления смещения, ко она не должн быть; значительной (чтобы не слишком снижать "ДЭ решетки). Средне квадратичная ошибка измерения величины перемещения Дх составляв

AOUO- 0'й//2 - \ ^ (19)

Of- сяжбоггельная; погрешность прща измерений; л-перио . решетки."H"''"'' - '"г. s: раба.аЬщем макете устройства при Q-10*"* и «М50 нм.ошиб* измерения' ¿(j^ составила V),33 км, что • находится в полном cooi • "[¿«ефя , точноспг измереяия, федлагаемь

метод допускает простое визуальное наблюдение (смещение луча осциллографа по эллипсу рис. 1), что выгодно отличает его от других существующих в настоящее время методов.

. в заключении на основании полученных результатов делается вывод о перспективности использования фотохимических процессов в АОЩГК и ХСП для оптической регистрации трехмерных голограмм. Голограммы, полученные на их основе, отличаются простотой изготовления, высокой ДЭ, угловой и спектральной селективностью, а также термической и лучевой стойкостью. Это позволяет использовать оптические элементы на их основе в оптико-электронных устройствах различного назначения, характеристики которых по своим Функциональным возможностям и точности измерения не имеют аналогов в современной технике.

Кроме того, разработанные методики исследования и установленные особенности механизмов голографической записи (диффузия светочувствительных центров между областями интерференционной картины с неодинаковой освещенностью; избирательное разрушение полосы поглощения носителей информации на длине волны записывающего света, приводящее к ее асимметрии и локальному провалу; влияние рассеяния на свойства голограмм и др.) в рассмотренных соединениях позволяют считать, что совокупность представленных в работе результатов и положений открывает новое направление в физике записи оптической информации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Предложен метод исследования электронно-ионных процессов при фотохимических превращениях в высокоомкых диэлектриках и полупроводниках с - ярко выраженными поляризационными и контактными явлениями. Метод основан на "измерении фотодизлектрических потерь и позволяет .осуществлять анализ физических причин, вызывающих феноменологически одни и те :::е явления диэлектрических потерь при объешо-зарядовоЯ и дипольной поляризации, а такпе различать миграцию носителей заряда по локализованным и дело-кализоваиным состояния!.!. • -

2. Выяснены природа релаксационных максимумов диэлектрических потерь и механизмы электропроводности и фотопроводимости в ХСП и АОЩГК. Исследованы и объяснены с единых позиций основные изменения, происходящие в оптических, электрических, и фотоэлек-

- 26 - . . трических свойствах ХСП и АОЩГК при протекании в них термически активируемых фотохимических реакций-*

3. Установлены механизмы термо-*и фотохимических превращений в материалах системы as-s и преобразования f-центров в более сложные центры;окраски в АОЩГК.

4. Разработан метод, позволяющий раздельно определять величины амплитудной и фазовой модуляций ТПДР для любого момента записи и длины волны считывающего света, а также устанавливать смещение указанной решетки относительно формирующей ее интерференционной картины. На основе этого метода выяснены механизмы высокотемпературной записи ТПГ в исследуемых материалах. Показано, что высокоэффективная запись в этом случае есть результат диффузии продуктов ионизации между областями интерференционной ■ картину, с неодинаковой освещенностью. При оптимальных условиях такая диффузия позволяет полностью преобразовывать центры светочувствительности в носители информации, наибольшая концентрация которых наблюдается в минимумах освещенности интерференционной картины.

5- Изучены дифракционные эффекты, возникающие при записи и восстановлении ТПГ в результате рассеяния света.

6. На основе ТПДР разработаны оптико-электронные устройства различного назначения принципиально нового класса.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах

1. Дьяченко Н.Г., Манд ель В.Е., Тюрин A.B. Релаксация фотопроводимости-по переменному току у окрашенных кристаллов кс1.//ФТТ.-1970.- т.12, вш. 5.- с.1571-1573.

2. Дьяченко Н.Г., Тюрин A.B., Шевелева A.C. Релаксационные явления в аддитивно окрашенных кристаллах квг.//ФТТ.- 1972.- Т.14, вып. 10.- С.3091-3093.

• 3. Дьяченко Н.Г., Тюрин A.B., Шевелева A.C. Механизм проводимости аддитивно окрашенных кристаллов ш.// Депонирована в ВИНИТИ, 1973.- № 7396-73ДЕП.- 11 С.

4. Дьяченко Н.Г., Тюрин A.B.» Шевелева A.C. Коротко-временные : электрические релаксации в щелочно-галоидных кристаллах.// Изв.

вузов. Физика.- 1973.- №6.- С.101-106. .

5. Тюрин A.B. г-г^превращение в кристаллах KCl.// Депонирована в. ВИНИТИ,- 1974.- Ы 3166-74ДЕП.- 7 с.

6. Дьяченко Н.Г., Тюрин.А.В., Шевелева А.С. Генерация' катионных вакансий в процессе образования и разрушения коллоидов в кристаллах КС1.//ФТТ.- 1974,- Г.16, ВЫП. 5.- С.1527-1530.

7. Тюрин А.В. Фотодиэлектрические и диэлектрические исследования преобразований центров окраски в кристаллах kci, квг//. Дисс. к.ф.-м.н.- 1975.- Одесса- 120 с.

в. Дьяченко Н.Г., Мандель В.Е., Тюрин А.В., Шевелева А.С. Возможность использования т-г% превращения в кристаллах kci для записи оптической информации.// Опт. и спектр.- 1975.- Т.36, вып. 5,- С.1023-1025.

9. Дьяченко Н.Г., Мандель В.Е.. Тюрин А.В., Шевелева А.С. Распределение гидроксильных ионов ь кристаллах kci, легированных кальцием.//УФЖ.- 1976.- Т.21,- т.- 0.1179-1162.

10. Мандель В.Е., Тюрин А.В. Ионные процессы" при F-Zt превращений В Кристаллах КС1.//ФТГ.- 1975.- T.1S, ВЫП. 5.- C.1464-146S.

11. Дьяченко Н.Г., Мандель В.Е., Тюрин А.В., Шевелева А.С. Ионные процессы при оптическом разрушении F-центров в кристаллах kci с примесями. //Сб ."Вопросы физики твердого тел гг.- Киев: Вища школа, 1976.- С.71-77. . ^

12. Tsukerman и.о., Dya-henco N.O., Tyurln A.V. а.а. Characteristics Features of Temperature Dependence of Photoelectric Properties and Fhotostructure Transformations in the As-3 System Material.// The Proa, of the International Conference Amorfous Semicond. '78. - CSSR. Pardubice, .1973. - P.673 -675.

¿3. Алексеев-Попов A.B., Дьяченко Н.Г., Мандель В.E., Тюрин А.В. Особенности записи голограмм в кристаллах kci на основе f-x пресбразования.//Письма в.ЖТФ:- 1979.- Т.5, вып. 12.- С.709-712. U. Дьяченко Н.Г., Мандель В.Е., Тюрин А.В., Шевелева А.С. использование избирательного разрушения. центров коллоидного типа для записи высокоэффективных голограмм на щелочно-галоидных кристаллах.//Письма в ЖГФ;- 1979.- Т.5, вып. 13.- С. 791-795. 15. Алексеев-Попов А.В., Д&яченко Н.Г., Мандель В.Е., Тюрин-А.В. Дисперсия оптических параметров в толстых амплитудно-фазовых голограммах.//0пт. и спектр.- 1979.- Т.47, вып. 3,- С.563-567. 1в. Дьяченко Н.Г., Карнатовский В.Е., Тюрин А.В. и др. Особенности температурной зависимости фатоструктурных превращений в материале системы Аз-з.//ЖНиПФиК.- 1979.- Т.24, Мб.- С.365-367. 17. Дьяченко Н.Г., Карнатовский В.Е.,; Тюрин А.В. и др/ Темпера-

турные исследования фотоэлектрических и оптических свойств халь-когенидных стеклообразных полупроводников системы аэ-з. //Автометрия.- 197$.- №3.- С,76-05.

1В. Дьяченко Н.Г., мандель В.Е., Нечаева Т.А., Тюрин A.B. запись амплитудно-фазовых голограмм на центрах коллоидного типа в кристаллах NaCl.Z/УФЖ.- I960.- Т.25, (¿4.- 0.622-627.

19. Мандель В.Е., Нечаева Т.А., Тюрин A.B. Влияние анизотропии х-центров на дифракционную эффективность голограмм, записанных г KCl на основе f-x преобразования.//Г1исьма в ЖТФ.- 1961.- Т.7, ВЫП. е.- С.492-493.

20. Дьяченко Н.Г., Ремесник В.Г., Тюрин A.B. и др. Фотоиндуци-роьакные изменения фотоэлектрических и оптических свойств стеклообразного Ав45я.//УФЖ.- 1962.- Т.27, С.1147-1152.

а. Дьяченко Н.Г., Попов А.Ю., Тюрин A.B. и др. о вспышечно?,! характер кинетики нарастания фототока в стеклообразном сульфиде МЫШЬЯКа.//ФТП.- 1962.- Т.16, ВЫП. 10.- С.1672-1674.

0

22. Дьяченко Н.Г., Попов А.Ю., Тюрин A.B., Шевелева A.C. Особенности фотоэлектрических явлений в стеклообразном лз^. '/УФЖ.-1963.- Т.26, »£5.- С.742-746.

23. Дьяченко Н.Г., Стыс Л.Е., Тюрин A.B., и др. Фотоиндуцирован-ные изменения оптических и фотоэлектрических свойств .., стеклообразного сульфида мышьяка //Сб. Фотохимические процессы регистрации голограмм. - Л.: ФТИ, 1963 - С.04-66.

24. BaMacdnl Q.. Orassano U.M.', Tlourlne A. a.a. Optica] Pumping and Reorientation of the F^-centers in KCl:ll+//Fhys. Stat. SOlidl (t>).- 19S4.- V.122.- К.вЗ-К.вб.

25. Дьяченко К.Г., Мандель В.Е., Нечаева 'i.A., Тюрин A.B. Светоделитель на объемной голографической дифракционной решетке. //ПТЭ.- 1964.- №4.- С.241-242.

26. Алексеев-Попов A.B., Гевелюк С.А., Тюрин* A.B. Влияние прояв-. ленного серебра на спектральные характеристики объемных голограмм. //со. трудов IV Всесоюзной конференции по голографии -Рига: ИФАН, 1965. - С.67 - 66.

27 Дьяченко Н.Г., мандель В.Е., Нечаева Т.А.',Тюрин A.B. Запись голограмм на основе f-x преобразования центров окраски ь аддитивно окрашенных кристаллах квг.//УФЖ.- 1967.- т.зг, №3.- с.361--.362.

26. Нечаева Т.д., Попов - АН,. Тюрин A.B. фотопроводимость

ддитивно окрашенных кристаллов kci, содержащих f-центры. //Де-онироьана h ВИНИТИ, 196?.- W3412-B67.- 12 е./ Реферат в УФЖ.-S6?.- Т.32, С.1Ш.

9. Ахмеров А.Ю., Голубцов В.В., Тюрин A.B. и др. Диэлектричес-ие потери и люминесценция литиевоалюмофосфатных стекол, легиро-анных серебром.//УФЖ.- 1966.- Т.ЗЗ, МЮ.- с.1476-1462.

0. Белоус В.М., Мандель В.Е., Попов А.Ю., Тюрин A.B. Исполь-ование преобразования центров окраски в щелочно-галоидных крис-аллах для архивной и динамической записи глубоких трехмерных элограмм. //Сб. Голографический корреляционный анализ и регис-рирующие среда.- Киев.- Институт теор. физики АН УССР.- 1966.-.99-100.

1. Андриенко H.H. Попов А.И., Тюрин A.B. Динамика злектронно-онных процессов при оптическом разрушении F-центров в KCl. // б."Фотоэлектрокика".- Киев: Вища школа, 1991.- Вып. 3.- С.64-90.

2. Мандель В.Е.„ Неклюдов В.А., Попов А.Ю., Тюрин A.B. Эффекты ассеяния в объемных голограммах. //Опт. и спектр.-1991.- Т.70, ып.6.- С.1266-1290.

3. Зеленин B.C., Мандель В.Е., Тюрин A.B. Углоизмерительное стройство на основе трехмерных дифракционных решеток.// Научное риборостроение.- 1991.- Вып. 4.- с.95-96.

4. Бурлак A.B., Тюрин A.B. и др. Особенности электрофизических арактеристик тонких слоев рьэ с низким содержанием окислителя. /ФТП.- 1992.- Т.26, вып. 3.- С.546-550.

5. Ганин Ю.Г., Жеру И.И., Тюрин A.B. и др. Голографическая ин-ерферометрия поверхности композиционных диэлектриков при нагре-

//Изв. Росийской АН, сер. физическая.- 1992.- Т.26, >44.-.201-204. • • •

6. Бурлак A.B., Тюрин A.B. и др. Влияние окислителя на лектрические характеристики пленок сульфида свинца. //Поверх-ость.- 1992.- №2.- С. 121-123.

17. Бурлак A.B., Игнатов A.B., Тюрин A.B. и др. Влияние водяных lapoe на темновую проводимость и фотоотклик тонких пленок р-рьз. /Поверхность.- 1994.- ttl.- С. 110-112.

16. Alyoshin A., Tyurin A., Burtak А., et. al. Pbs-based Optical ensor Properties аз a Function of Oxidant Concentration technical Digest of Fifth International Meeting on Chemical «nsors. - Roma. - 1994. - P.1005-1006.

• 39. .Белоус БД}., Маадель B.C., Попов А.Ю., Тюрин A.B. определе нке амплитудной и фазовой модуляций в процессе трехмерной голо графическое записи, //от. и спектр.- 1994.- Т.76, вып. 1. С.105-108. '

40. Белоус В.Ы., Мандель В.Е., Тюрин A.B. и др. Метод измеренк малых линейных перемещения в нанометровом диапазоне. //Доклад! АН Украины,- 1994.- »»9.- С.91-94.

41. Мендель в.е., Тюрин a.b. и др. Применение объемной стационарной голографичесхой дифракционной решетки для амплитудно! модуляции света. //Оптический журнал.- 1994.- »10.- с.19-21.

42. Ах. » 533079 (СССР). Фотохромный материал. /Н.Г.Дьяченко В.Е.Ыакдель, А.Б.Тюрин, А.С.Шеьелева.- 1976.

43. A.c. К 666523 (СССР). Кристалл для записи фазовых голограмм /Н.Г.Дьяченко, В.Е.Мавдель, А.В.Тюрин, А.С.Шевелева.- 1979.

44. A.c. № 666524 (СССР). Кристалл для записи фазовых голограмм /Н.Г.Дьяченко, В.Е.Мандель, А .Б.Тюрин, А.С.Шевелева.- 1979.

45. .A.c. » 1053056 (СССР). Светоделитель. /Н.Г.Дьяченко, А.Б.Тюрин К др.- 1963.

46. a.c. » 1327705 (СССР). Кристалл для записи голограмм..,: /Н.Г.Дьяченко, В.Е.Мацдель, Т.А.Нечаева, А.В.Тюрин.- .1957.

i 47. - A.c. М 1426166 (СССР). Оптико-электронное устройство ме измерения угловых перемещений и визирования. /A.B.Алексеев-Попов, Г.Й.Кивензор, Н.М.Рамишвили. А.В.Тюрин.- 1966. 46. -A.c. № 1437662 (СССР). .Устройство измерения угла смещения объекта. /Н.Г .Дьяченко, В.Е.Мандель, А.В.Тюрин и др.- 1966. -

* 49. A.c. И 1459490 (СССР). Способ изготовления объемной дифракционной решетки ь аддитивно окрашенных кристаллах ш. /Н.Г.Дьяченко, Ъ.Е.Мандель, Т.А.Нечаева, А.ВЛюрин.- 1966.

50. a.c. » 1657946 (СССР). Дифракционный способ измерения угловых перемещений объекта. /В.М.Белоус, В.Е.Мандель, А.В.Тюрин и др.- 1991.,; •• ' '••..'. V''-"''-

•'.. 51. A.c. j» 16966& (СССР). Двухкоординатный оптикоэлектронный угломер.. /К.А.Гарибашвили, Н.Г.Дьяченко, А.В.Тюрин и др.- 1991. ; 1 ^ Ключевые слова: щелочногалоидные кристаллы, халь<«)генид-/Уные стеклообразные полугфоводники, термо- и фотохимические преь-; ращения, ^фотопроводимость, регистрирующая среда, голографическая ■ эапись.уТрехмерная дифракционная решетка, оптико-электронное

Тюр1нО.В. Ф1зико-х1м1ч1 процесн в лужногалогеновнх кристалах та хальодген1дних скловидних напЗвпоро1дниках, що визиачають реострапДю тривим!рних 'голограм.

ДисертйЦя на здобуття ученого ■ ступеню доктора ф!зико-математичних наук за фахом 01.04.17 - х!м1чка ф1зика, в тому числ! ф!зика гор!ння та вибуху. Одеський державний ун1верситет 1м. М.Мечникова, Одеса, 1995 р.

3 допомогою розроблених ф1зичних метод!в вим!рсвань вивчен! термо- I фотох1м1чн! перетворення, а також процеси реестрацП тривим!рних голограм (ТП на Тх основ! в адитивно забарвлених лужно-галогенових кристалах (АЗЛГК) 1 халькогенидн1х скловидних нашвпровЦниках (ХСН). Дол1джен1 Я пояснен! з единих позиШй основнГ зм!ни, як1 проходять в оптичних, д1електричних та фотоелектричних властивостях АЗЛГК t ХСН при прот!канн! в них фотох!м!чних реакц!й. Встановлен1 механ!зми фотох!м1чних реакцШ й способи голограф!чного запису, що забезпечуе. в досл1д«уваних сполуках ресстрацШ ТГ, як! мазоть високу - дифракцтну ефектавн1сть, терм!Чну й променеву стШк1сть. На баз! ТГ створен! нов1 оптико-електронн! пристро1 р!зномая1тного призначення. По 'тем1 дисертацн надруковано 54 науков! робота й отримано 10 авторських св!доцтв. •

Tyurln А.7. fhyelcal end Chcaical Processes in Alkali Hall do Cryotalo end Chalcogenlds Vltreoua Scalconductora that

Daternlne Threo-Dlcenalonal Hologran Reglotratlon.

Thesis' for the degree of Doctor of Physical and Mathematical Sciences by speciality 01.04.17 - Chemical physics, including the physics of combustion and explosion. I.I. Mechnikov Odessa State University, Odessa, 1995.

Based on developed physical methods and measurement means, thermal - and photochemical conversions and processes of three-dimensional hologram registration with a use of its in additively" coloured alkali- halide crystals (ACAHC) and chalcogenide vitreous semiconductors (CVS) have been investigated. Presented work studies and explains basic changes in optical, dielectrical and photoelectrical properties of ACAHC and CVS during photochemical reactions. Established are mechanisms of photochemical- reactions and hologram record methods which provide for registration of 3-D hologram with high diffraction efficiency, thermal and 'beamstability ; in investigated compounds. Developed are new . optical-electronic devices of various applications based ©o J>-D hologranti. Fifty four scientific papers were published on the topfts of ti&glftesis and ten Author's Certificates were obtained. - - j.-T'-^V--'^"3^ '