Исследование многоканальной моделяции света в электрооптических кристаллах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

ВНЦ "Государственный оптический институт им. С.И.Вавилопа"

' На правах рукописи

ПЛАХОТНИК Елена Николаевна

" ИССЛЕДОВАНИЕ МНОГОКАНАЛЬНОЙ МОДУЛЯЦИИ СВЕТА В ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИХ КРИСТАЛЛАХ"

01.04.05-оптика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико - математических наук

ВНЦ "Государственный оптический институт им. С.И.Вавилова"

На правах рукописи

ПЛАХОТНИК Елена Николаевна

" ИССЛЕДОВАНИЕ МНОГОКАНАЛЬНОЙ МОДУЛЯЦИИ СВЕТА В ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИХ КРИСТАЛЛАХ"

01.04.05-оптика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физпко - математических наук

Работа выполнена в ВНЦ Государственный оптический институт имени С.И.Вавилова

Научный руководитель - доктор физико - математических наук

А.А.Бережной

Официальные оппоненты:

доктор физико - математических наук Агеев А.Н. кандидат физико - математических наук Владимиров Ф.Л.

Ведущая организация - Государственный университет телекоммуникаций им.МА.Бонч - Бруевнча

Защита состоится 199<?г. в " & "час,

на заседашш специализированного совета К 105.01.01 ВНЦ "Государственный оптический институт им.С.И.Вавилова ( Санкт - Петербург, 199034, ВНЦ "ГОИ им.С.И.Вавилова) /НГ30СЛ0» ЯЗ.О/.

Ученый секретарь специализированного совета

кандидат фнз.-мат.наук У.Н.Абрамова

С ВНЦ "Государственный оптический институт им.С.И.Вавилова", 1996

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации.

За последнее время значительно возросла необходимость теоретических п экспериментальных методов построения многоканальных устройств управления пространственными характеристиками лазерного излучения. С эффективными методами управления пространственными характеристиками лазерного излучения связаны успехи в области создания когерентно - оптических систем обработки информации и адаптивных лазерных систем.

Среди существующих методов многоканальной модулящш наиболее перспективными являются методы, основанные на электрооптическом эффекте. Это связано с относительной простотой управления, большими функциональными возможностями II монолитностью конструкции.

Электрооптическнй эффект заключается в изменении двупре-ломления многоканальных электрооптнческих модуляторов под действием электрического поля. В соответстшш с этим изменением происходит модуляция лазерного излучения при считывании. Поэтому изменения показателя преломления и характер взаимодействия модулируемого света с веществом являются основными проблемами в области электрооптнческих методов многоканальной модуляции.

Несмотря на важность с научной и практической точек зрения, систематических исследований по решению проблемы многоканальной модуляции света до настоящего времени не проводилось. Кроме того, до сих пор практически отсутствуют многоканальные модуляторы. Существуют отдельные разработки на ннобате лития, прозрачной сегаетокерампке, жидких кристаллах, но они не удовлетворяют как по числу каналов, так и по контрастно - временным характеристикам. Поэтому вопросы многоканальной модуляцшг света, которым посвящена диссертационная работа, являются весьма актуальными.

Цель п задачи работы : изучение особенностей оптической анизотропии в электрооптнческих кристаллах, индуцированной внешними ц внутренними электрическими полями при условии их сильной пространственной неоднородности, а также разработка на основе этих исследований принципов многоканальной модуляции света.

Для достижения указанной цели необходимо было решить следующие основные задачи:

1. Разработать методику и провести расчет интегрального индуцированного изменения разности фаз световых волн при наличии пространственной анизотропии вдоль направления распространения света.

2. Исследовать особенности проявления индуцированной анизотропии и ее градиента в оптически - активных (гиротропных) кристаллах, а также влияние естественной анизотропии на поляризацию собственных волн.

3. Провести исследования особенности природы электрооптического эффекта в сегнетоэлектриках при наличии локальных структурных искажений п при упорядочении спонтанной поляризации, связанных с размытием фазового перехода.

4. Исследовать природу электрооптического эффекта в кристаллах моли б дата гадолиния и эффекта локального переключения спонтанной поляризации.

5. Разработать и исследовать многоканальные модуляторы света на продольном и поперечном электрооптическом эффекте в кристаллах силиката висмута, магнониобата свинца, прозрачной сегнето-керамики.

Научная новизна работы определяется рядом впервые полученных результатов и выводов, основные из которых можно сформулировать в виде следующих положений:

1. Впервые получены результаты комплексного исследования индуцированной оптической анизотропии с учетом особенностей физических свойств используемых электр о оптических кристаллов: разработан и предложен метод расчета локализации электрических полей, локального изменения показателя преломления и индуцированного изменения фазы световой волны при многоканальной модуляции. Эти результаты имеют принципиальное значение, поскольку относятся к новым явлениям н эффектам, связанным с проявлением индуцированной отической анизотропии при многоканальной модуляции.

2. Впервые последовательно изучены и систематизированы электрооптпческпе свойства кубических оптически активных (гиротропных) кристаллов без ограничений на параметры внешних воздействий.

Выявлен характер влияния дисперсионной зависимости оптической активности на полевые характеристики относительного пропускания света при использовании этих кристаллов.

3. Обнаружена и исследована фотоиндуцированная неустойчивость локальной оптической анизотропии в кристаллах силиката висмута. Предложена физическая модель наблюдаемого эффекта.

4. Впервые показано определяющее влияние естественной анизотропии на формирование пространственного состояния поляризации собственных мод при электрооптическом эффекте в нпобате лития. Эти результаты имеют важное значение для понимания физических процессов, обуславливающих взаимодействие оптического излу чения с веществом в условиях сильной нелинейности, создаваемой вне-

шними электрическими нолями.

5. Исследовано влияние упругих: напряжений на особенности проявления электроопттгческого эффекта в прозрачной сегнетокерами-ке. Показано, что упругие напряжения, возникающие в прозрачной се-гнетокерашпсе при ее сшггезе, оказывают существенное влияние на характер проявления ее электрооптических: свойств. Развитые теоретические представления в рамках феноменологического оппсаши нашли хорошее подтверждение при экспериментальных исследованиях.

6. Экспериментально обнаружено проявление ориентащюнных процессов в формировашш индуцированной оптической анизотрошш в монокрнсталлах магноннобата св1шца.

Практтгческлто ценность работы составляют:

1. Предложенный метод расчета локальных составляющих электрического поля и индуцированной оптической анизотрошш в электрооптическнх кристаллах, позволяющий рассчитывать параметры многоканальных модуляторов прп произвольных направлениях распространения света и приложения электрического поля к электрооптическому элементу.

2. Предложенные теоретические и экспериментальные методы оптимпзагцш параметров оптически активных (гиротропных) электрооптическнх кристахлов при их пспользовашш в многоканальных модуляторах.

3. Проведенные исследования неустойчивости оптической анизотропии, позволяющие реализовать модуляцию вида: интенсивность фотоактнвного света - частота пульсацпй.

4. Показанная возможность пспользовашш эффекта вращения собственных векторов полярпзащш в крпстахлах ииобата лития для увеличения пространственной развязки отдельных каналов многоканальных модуляторов.

5. Предложенные принципы локального переключения спонтанной полярпзащш в кристаллах молпбдата гадолиния, позволяющие увеличить плотность заполнения каналов модуляторов и их пространств енную развязку.

6. Разработанные и созданные многоканальные электр о оптические модуляторы света, отличающиеся высокой эффективностью и большой допустимой расходимостью модулируемого светового излучения.

На защиту выносятся:

1. Методы расчетов локальных составляющих электрического поля, пространственного изменения показателя преломления и инду-

цированного изменения фазы световой волны в электр о оптических кристаллах при многоканальной модуляции.

2. Эффект фотоиндуцированной неустойчивости локальной оптической анизотропии и его теоретическое обоснование в кристаллах силиката висмута.

3. Результаты анализа влияния оптической активности (гиротрошш) и ее дисперсионной зависимости на электр о оптические свойства кристаллов силиката висмута.

4. Результаты исследования роли естественной анизотропии в формировании пространственного состояния поляризации собственных мод при электр о оптическом эффекте в кристаллах ииобата лития.

5. Результаты анализа влияния упругих напряжений на особенности проявления электрооптического эффекта в прозрачной се-гнетокерамике ЦТСЛ.

6. Разработка, расчет и результаты исследования многоканальных электр о оптических модуляторов света в кристаллах силиката висмута, магнонпобата свинца, ниобата лития и прозрачной сегнето-керамике.

Личный вклад автора.

Все представленные в работе научные результаты и сформулированные на пх основе научные положения принадлежат автору, получены и обоснованы им лично или при его непосредственном участии. Научному руководителю работы Бережному A.A. принадлежит постановка общей темы исследования, формулировка ряда конкретных задач и обсуждение полученных результатов. Отдельные соавторы оказывали техническую помощь при подготовке п проведении экспериментальных исследований.

Апробация работы. Основные результаты, изложенные в диссертационной работе, докладывались на 111 Всесоюзной конференции по вычислительной оптоэлектронике "Проблемы оптической памяти" г.Ереван, 1987г., 111 Всесоюзной конференции молодых ученых и специалистов "Теоретическая и прикладная оптика", Ленинград, 1988г., смотре - конкурсе работ молодых специалистов, посвященном памяти академика А.А.Лебедева, Ленинград, 1988г.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 134 страницах, в том числе 46 рисунков, 2 таблицы, списка литературы (121 наименование).

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введешш показана актуальность темы диссертационной работы,ее научное п практическое значение, приведены основные по-ложешш, вынесенные на защиту.

Глава 1. Исследование индуцированной оптической аннзотро-шдг в электр о оптических кристаллах при многоканальной модуляцпп оптического излучения.

В этой главе предложен метод расчета интегрального изменения разности фаз световых волн при наличии пространственно - неоднородной анизотропии среды вдоль направления распространения света, обусловленной пространственно - неоднородными электрическими полями.

В первом параграфе в аналитическом виде получены выраже-ння для продольной п поперечной составляющих электрического поля в объеме электрооптического кристалла, созданного специально сформированной структурой электродов. Расчет основан на решении уравнения Лапласа с граничными условиями, обусловленными дискретной структурой электродов, нанесенных как с одной, так и с обеих сторон электрооптпческого кристалла. Топология электродов задается соответствующим рядом Фурье. Выражения просты при анализе и могут быть модифицированы для любой электродной структуры.

Далее дается описание оптической аннзотротш при неоднородном электрическом поле с помощью метода, основанного на ортогональном преобразовании координат и описывающего оптическую анизотропию кристаллов любой симметрии при произвольной относительной ориентации электрического поля и волнового вектора световой волны в объеме кристалла. Особенность данного метода заключается в том, что ни электрооптические коэффициенты, ни оптическая индикатриса не приводятся к главной системе координат оптической индикатрисы. Анизотропия электрооптического кристалла рассматривается в плоскости фронта световой волны. Поэтому появляется возможность независимого преобразования компонент внешнего электрического поля н сечения индикатрисы.

Таким образом показано, что главные показатели преломления в плоскости фронта световой волны представляются выражениями:

Пц » 2С"3/2[С + В - VА2 + В2 ]

пу » 2С'У1]С + В + 4А2 + В2 ] ф=агй£ ( А/В),

где А, Б, С коэффициенты, определяемые из геометрии опыта и электрооптическими коэффициентами используемого кристалла, отражают характер изменения индуцированной анизотропии под действием приложенного электрического поля; ср - угол поворота собственных векторов поляризации.

Выражение для локального индуцированного двупреломлсния будет иметь вид:

Ап » щ - л- « 4С-3/ЧЛ2 + В2

Поскольку неоднородность локальной оптической анизотропии в на-правленш! волнового вектора, связанная с неоднородностью электрического поля, приводит к сложной функциональной зависимости пространственного изменения фазы модулируемого света на выходе кристалла, проведен анализ индуцированной фазы световой волны на выходе кристалла с линейным и квадратичным э лсктр о оптическими эффектами. Показано, что дискретная структура приложенного электрического поля приводит к дискретизации фазы оптического излучения, которая зависит от величины коэффициентов разложения Фурье.

Полученные выражения позволяют проводить анализ индуцированных фазовых изменений световой волны, если управляющее напряжение приложено ко всем световым каналам одновременно, а также при условии, если каналы включены неодновременно. Выражения достаточно общие и справедливы для многоканальных модуляторов на любых средах с подобными структурами электродов.

Одной из эффективных областей использования многоканальных электрооппгческих модуляторов света является применение их в системах оптической обработки информации, например, в оптических спектроанализаторах по обработке массивов электрических сигналов. Поэтому в работе было уделено внимание изучению процессов дифракции, возникающей в результате модуляции световой волны в многоканальном электро оптическом модуляторе. В рабочем режиме многоканальный модулятор представляется в виде поляризационно - фазовой решетки, модулированной структурой электродов, то есть в данном случае структура электродов выполняет роль амплитудного растра. Для анализа дифракционных явлений используется метод Джонса. Показано, что в результате считывания ( то есть, если пространственную модуляцию рассматривать как процесс считывания светом оптической анизотропии, созданной в электрооптическом кристалле управляющим сигналом ) реализуется произведение функций амплитудного пропускания структуры электродов и фазовой структуры информативных пространственных изменений считывающего света. В дифракционной плоскости реализуется свертка Фурье - образов

двух функций, характеризующих амплитудное пропускание структуры электродов н пространственные фазовые изменения света, обусловленные оптической анизотропией, созданной в электрооптическом кристалле управляющим сигналом.

Для модуляторов на линейном электрооптическом эффекте аналитический вид компонент вектора электрического поля световой волны в плоскости дифракции имеет вид:

F(vx)®T¿(vx) = ?-

vx 2

оо оо

здесь Ii,2= ^ ^ SÍnC(7ma)x [30('ЛuU(J5(ЛV,¡-nV(J +

.П=-cO Л7=-М

cos(/?)S1 sin(/?)E2

.пт

+ (уГ3JAuVt)e^8(vx-nve-nvj ]

Для модуляторов на квадратичном электрооптическом эффекте:

а

F(yx)®T¡(vx) = -

vx 2

cos(/3) exp

sin(/?) exp

-J

■ A,Uf

Л

2

Sí

-J

■

s;

здесь

со со

EJ2 = ^ ^ sinc(7mia)><

Л=-оо m=-co

г к Ti2N

ДиНо ч 2 y

5fvx-nvJ+

ч 2 ,

5fvx-nve-2mv0;

Проведен анализ полученных выражений. Указано, что поляризация света в дифракционных максимумах разных порядков различна.

О

Кроме того, получены аналитические выражения для интенсивности света в дифракционных максимумах.

Глава 2. Исследование модуляции света в нецентросимметрич-ных средах.

В связи с тем, что пространственно - временное распределение индуцированной оптической анизотропии, возникающей в электрооптическом материале, обусловлено не только характеристиками управляющего сигнала, но п особенностями используемой седы, было проведено ее исследование в различных материалах, применяемых для многоканальных модуляторов света, отличающихся как природой электорооптического эффекта, так и характером его проявления.

Вторая глава посвящена оптимизации проявления индуцированной оптической анизотропии в кубических оптически активных ( гиротропных ) кристаллах на примере кристаллов силиката висмута, а также вопросам проявления естественной анизотропии кристаллов ниобата лития при многоканальной модуляции.

Для описания состояния поляризащш света, прошедшего через оптически активный (гиротропный) кристалл, получена соответствующая матрица Джонса, что дало возможность решить задачу взаимодействия света с оптически активным ( гнротропным ) кристаллом в общем виде, то есть без ограничений на параметры внешних воздействий ( направление распространения света и приложения поля, состояние поляризации ):

M;j = exp\iy{B + C)z] х

cos(A^) + iy — sin(Àz) + 2pQ

x д A

У——sin(Az-) cos(Àz) - —- sin(Àz) Д Д

где y = — с-3/2; Д = Jy2(A2 + B2) + 4pl ; - разность фаз меж-À

ду распростран5пощиш1СЯ в оптически активном кристалле с индуцированной анизотропией собственными модами световой волны; ро-удельная оптическая активность; /. - длина волны падающего света; Z - толщина кристалла.

Очевидно, что влияние оптической активности ( гиротропии ) проявляется в дополнительном сдвиге фаз между собственными волнами, распространяющимися в электрооптическом материале.

По известной методике, с использованием представленной выше матрицы Джонса, получено выражение для пропусками поляризационной системы с оптически активным (гаротропным) электрооптп-ческим кристаллом.

Дан анализ выражений для кристаллов силиката висмута при различных условиях : показано, что для оптически активных (гпротропных) кристаллов 90°- ориентация плоскости пропускания анализатора поляризационной схемы исследования не является оптимальной. Более того, ориентация анализатора под утлом 45° не приводит к нулю относительного пропускания системы. Наиболее оптимальным при использовании электрооптических гиротропных кристаллов является условие компенсации оптической активности при развороте анализатора на угол r|=90°-2poz. В этом случае относительное пропускание поляризационной системы с оптически активным (пгротропным) электрооптпческим кристаллом представляется в виде:

2/>п

I - eos (Ap^zJcos (2Az) —(Ap^z)sin ( 2Az) ■

Компеисашш оптической активности ( гиротропии ) можно достичь при использовании кристалла в поляризационной схеме двойного хода ("на отражение"). В общем виде выполнен расчет относительного пропускания такой схемы. Показано, что в реальных электрических полях вид кривой относительного пропускания для оптически активных (гиротропных) электрооптических кристаллов, в частности для силиката висмута, существенно отличается от гармонического, и эту особенность необходимо учитывать при использоватш такнх кристаллов в качестве электрооптических модуляторов света. Кроме того, если в обычных электрооптических кристаллах при продольном электрооптическом эффекте пропускание поляризационной системы не зависит от толщины кристалла, то для оптически активных (гиротропных) кристаллов при продольном электрооптическом эффекте от толщины кристалла зависит не только величина напряжения, при котором наблюдается максимальное пропускание, но и сама величина максимального пропускания. С увеличением толщины кристалла максимум относительного пропускания смещается в сторону меньших напряжений, однако при этом резко

уменьшается его величина. В связи с этим для оптически активных (гиротропных) электрооптических кристаллов величина напряжения максимального относительного пропускания не является объективной характеристикой эффективности кристалла с точки зрения модуляции. Это связано с тем, что по общепринятой терминологии напряжение максимального относительного пропускания для оптически активных

(гиротропных) электрооптпчеашх кристаллов не является полуволновым, поэтому установившийся термин "полуволновое напряжение" для оптически активных (гиротропных) электр о оптических кристаллов является некорректным.

Рассмотрена дисперсионная зависимость оптической активности, поскольку она оказывает существенное влияние на полевые характеристики относительного пропускания. Выявлено, что величина напряжения максимального относительного пропускания линейно уменьшается с уменьшением длины волны света, однако наряду с этим наблюдается резкое уменьшение максимума относительного пропускания. Таким образом, эффективность модуляции оптически активных (гиротропных) электрооптических кристаллов с уменьшением длины волны падающего света уменьшается, а для обычных электрооптических кристаллов - возрастает.

В сложной слоистой структуре с использованием кристалла силиката висмута экспериментально обнаружено, что созданная внешним электрическим полем оптическая анизотропия может иметь пульсирутощий характер, проявляющийся в резком самопроизвольном нарастании и последующем спаде величины индуцированного двупре-ломления. Наблюдаемые пульсации не имеют строгой периодичности и имеют одну полярность. Частота пульсаций увеличивается при увеличении интенсивности фотоактивного света и величины внешнего электрического поля. Важно отметить, что частота пульсаций определялась энергией фотоактивного света в пределах площади локального электрода; пространственно локализация фотоиндуцированного двупреломлення также ограничена площадью электрода. Таким образом, пульсации возникают при дискретизации структуры электродов. Предложена физическая модель наблюдаемого эффекта в основе которой - явление захвата и рекомбинации фотовозбужденных носителей в предположении упрощенной трехуровневой зонной структуры силиката висмута. Из-за дрейфа фотоэлектронов во внешнем поле процессы генеращш и локализации разделены в пространстве, это приводит к формированию неоднородного распределения заряда на примесных уровнях. При определенной величине объемного фотозаряда происходит индуцированный примесный пробой, что приводит к сбросу локализованных на уровнях электронов в зону проводимости, и пробой прекращается. В условиях фотогенеращш и приложения электрического поля процесс становится периодическим. Исследование неустойчивости оптической анизотропии представляет интерес не только с физической точки зрения, но и с точки зрения возможности реализации модуляции вида интенсивность фотоактивного света - частота пульсаций.

Проведены исследования проявления естественной анизотропии в многоканальных модуляторах света на нпобате лития при поперечном электр о оптт шеек ом эффекте. В этом случае проявляется преимущество ннобата лития - существование поперечного электрооптического эффекта вдоль изотропного направления. Показано, что расходимость светового пучка, которая является определяющим фактором при использовашш кристаллов ннобата лития в качестве электро-оптическнх элементов, неоднородность компонент электрического поля, а также направление приложения поля, оказывают решающее влияние не только на величину двупреломления, но что весьма важно, на ориентащпо собственных векторов полярпзащш. Линейная зависимость утла поворота собственных векторов полярпзащш от утла поворота приложения электрического поля при нормальном падешш света на электрооптпческий элемент сменяется сложной функциональной зависимостью при наклонном падешш света. С увеличением утла падешш света на кристалл электрическое поле не в состоянии обеспечить линейную зависимость вращения собственных векторов полярпзащш; п при углах более 2° ориентация собственных векторов поляризации будет полностью определяться не индуцированной, а собственной анизотропией кристалла. Однако, необходимо учитывать, что характер этих зависимостей и величина предельного утла зависят как от величиш,I приложенного поля, так и от длины кристалла в направлении распространения света. Зависимость утла поворота собственных векторов полярпзащш от утла падения света, естественно, сказывается и на такой характеристике модулятора, как относительное пропускание.

Глава 3, Особенности модуляции света в центросимметричных

средах.

Характерной особенностью материалов, обладающих кубической структурой с центром инверсии, является их изотропность в отсутствии внешних воздействий, и изменение показателя преломления от величины приложенного поля по квадратичному закону. Особенности модуляции света в центросимметричных средах рассмотрены на примере монокристаллов магнониобата свинца и прозрачной сегнето-керамшш ЦТСЛ.

Исследования особенности природы электрооптнческого эффекта в

магнониобате свинца связаны с наличием структурных искажений и упорядочением спонтанной полярпзащш. Согласно данных феноменологической теории зля криста.тгов магнониобата свинца при приложении поля вдоль направлений [ 110] и [ 111 ] электрооптпческий эффект должен быть одинаковым (рассматривается поперечный электроопти-

ческий эффект, когда Ell к). Однако проведенные экспериментальные исследования показали, что величина электрооптического эффекта в этих направлениях различна. Объяснение этого явления может быть осуществлено с точки зрения роли ориентационных вкладов спонтанной поляризации полярных областей.

К локальным структурным искажениям можно отнести не только микронеоднородности, обусловленные вкладом анизотрошш полярных областей, но и макронеоднородности, обусловленные технологией получения сырья и изготовления образцов керамики.

Макронеоднородности, вызванные любыми мехашгческими напряжениями, возникающими в прозрачной сегнетокерамике, приводят к появлению, благодаря фотоупругому эффекту, аномального двупреломления (что сказывается на начальном участке кривой относительного пропускания поляризационной системы). Рассмотрены особенности взаимодействия оптических анизотропий, возникающих за счет электрооптического и фотоупругого эффектов.

Анализ проведен для устройств на прозрачной керамике ЦТСЛ с поперечным электроопшческим эффектом. По изложенному в главе 1 методу найдены коэффициенты А и В с учетом влияния обеих оптических анизотропии. Выражение для угла поворота собственных векторов поляризации имеет вид (при <рЕ=45°):

<р = -arctg (^li ~ Rn)El - Un ~ 7сп)*ш{2<р„)<тп 2 (тсп-лп)сгпсо$(2<ра)

где Rh, R12 - квадратичные электрооптаческие коэффициенты;

тт. 7ii2 - упругооптические коэффициенты;

an- амплитуда внутренних упругих напряжений;

срст- угол поворота собственных векторов поляризации, обусловленный наличием внутренних напряжений в прозрачной сегнетокерамике.

Получен аналитический вид относительного пропу скания поляризационной системы с керамикой ЦТСЛ при наличии упругих напряжений.

Присутствие упругих напряжений в керамике приводит к значительному изменению начального участка кривой относительного пропускания поляризационной системы, что выражается в наличии остаточного пропускания в отсутствии электрического поля на электродах модулятора при скрещенных поляризаторах, причем величина этого остаточного пропускания зависит как от соотношения анизо-

троний, так ii от направления фотоупругого напряжешш, задаваемого Фст. При равновеликих значениях анизотрошш наличие фотоуиругах напряжешш приводит к снижению относительного пропускания поляризационной системы на его первой ветви практически до нуля при Фа=0°.

Глава 4. Многоканальная модуляция света при локальном пе-реключешш спонтанной поляризации в сегнетоэлектрических кристаллах.

В настоящей главе рассмотрены возможности многоканальной модуляции света в сегнетоэлектрических кристаллах на примере мо-лпбдата гадолиния. Особенность модуляции при использовашш кристаллов со спонтанным электр о оптическим эффектом состоит в том, что внешнее электрическое поле выступает как параметр, изменяющий внутреннее состояние кристалла, то есть направление его спонтанной поляризации, направление п скорость движения доменной стенки.

В первом разделе главы рассмотрены особенности электрооп-тпческпх свойств кристаллов молпбдата гадолиния, связанные с перестройкой оптической индикатрисы под действием электрического поля в плоскости фронта световой волны. Эта перестройка приводит к новому проявлению электрооптнческого эффекта, связанного с эффективным вращением главных осей эллипса оптической индикатрисы. Рассмотрены особенности взаимодействия между оптической анизотропией параэлектрпческой фазы п спонтанной анизотропией, возникающей при переходе в сегнегоэлектрическую фазу. Показано, что угол разворота пнднкатрпсы как функции поляризации и углов, задающих направление волновой нормалп, представляется в виде:

_2cos(2y0fff<3P,cos(fl)_

Oh2 ~ V) sin2 (в) - sin(2W)m63Ps (1 + cos2 (в))

где тез - линейный электрооптичесиш коэффициент по поляризации; по, Пе- обыкновенный и необыкновенный показатели преломления параэлектрической фазы.

Проведены экспериментальные исследования изменения положения главных осей индикатрисы при переполяризации в зависимости от изменения направления волнового вектора, результаты находятся в хорошем качественном и количественном соглааш с расчетными.

Во втором разделе главы рассмотрена возможность локализации переключешы спонтанной поляризации при создании многоканальных модуляторов на основе кристаллов молпбдата гадолиния.

tg(2g>)

Исследовались кристаллы молибдата гадолиния, обладающие продольным спонтанным электрооптическим эффектом, в связи с чем использовалась матричная схема адресации, то есть рассматривалась структура ортогональных электродов, нанесенных с обеих сторон пластины кристалла. Предложен способ локализации спонтанной поляризации посредством направленных упругих напряжений, созданных системой электродов, нанесенных распиловкой образца параллельно натянутыми металлическими струнами.

Глава 5. Разработка и исследование многоканальных моду ляторов света.

В главе описаны разработанные многоканальные электрооптические модуляторы света на основе силиката висмута, магнониобата свинца, прозрачной сегаетокерамики ЦТСЛ.

Модулятор на основе силиката висмута работает на продольном электрооптическом эффекте. Особенность разработанного многоканального электрооптического модулятора проявляется в возможности его работы на высоких частотах, так как на низких частотах происходит "завал" пропускания, причем, нижний порог срабатывания определяется временем релаксации и связан с конструктивными особенностями модулятора, а верхний - ограничивается частотой, выше которой появляется эффект "расползания" поля за край электрода.

Разработанный многоканальный модулятор отличается индивидуальной адресацией при высокой пространственной развязке каналов; возможность работы при значительных углах наклона (расходимости) считывающего света; относительно небольшой потребляемой мощностью.

На основе поперечного электрооптнческого эффекта в магно-шюбате свинца разработан многоканальный модулятор, отличаго-пршся хорошей пространственной развязкой, значительной плотностью каналов и низким управляющим напряжением.

Данная разработка решена следующим образом: на единой подложке кристалла магнониобата свинца с плоскость (100) распиловкой струнами наносились канавки глу биной 2/3 толщины подложки, ограничивающие апертуру рабочих ячеек. Электроды наносились на торцы рабочих ячеек. Представлены схема электрооптического элемента и схема модулятора.

Предлагаемый модулятор сочетает в себе низкое управляющее напряжение (134 В при отсутствии напряжения смещения; 20 В при смещении 240 В); хорошую пространственную развязку каналов даже при наличии постоянного электрического смещения и высокую плотность каналов.На основе прозрачной сегнетокерашжи ЦТСЛ состава

9/65/35 разработаны и исследованы многоканальные модуляторы, от личающиеся как методикой создания, так н возможностью использования.

Для создания многоканального модулятора с планарной системой электродов на образец прозрачной сегнетокерампкп ЦТСЛ электродная структура наносилась по известной методике. В соот-ветствш! с теоретическим исследованием, проведенным в главе 1, рассмотрена модуляция оптического излучения в данном модуляторе с учетом особенностей пропускания п дифракции поляризованного света при формировании на линейке модуляторов полярнзацнонно-фазовой решетки. Решетка формируется за счет подачп разной величины напряжения вдоль одной нз осей световых каналов модулятора. Проведены исследования модулятора в схеме когерентно-оптического спектроаналнзатора, дана полная характеристика выходного спектра; представлены фотографии Фурье-спектра с разными пространственными частотами управляющего сигнала на каналах моду лятора.

Предложен полосковый многоканальный электрооптическнй модулятор на основе керамики ЦТСЛ, в котором практически отсутствует взаимное влияние световых каналов на работу друг друга, вследствие нанесения электродной структуры распиловкой струнами. При исследовашш модулятора в поляризационной схеме обнаружено, что увеличение напряжения ведет к окрашиванию апертуры световых каналов модулятора в дополнительные цвета, то есть определенной величине напряжения соответствует определенный цвет светового канала. Такой модулятор может найти применение при обработке сигналов с использованием алгоритма разложения векторного произведения, а также при отображении информации соответственно код}': вед-чина напряженпя-цвет.

Основные характеристики разработанных модуляторов сведены в таблицу._

Технические характеристики Тип многоканального электрооптического модулятора

ЭО-кристалл иМЮз РМЫ рьгт ВпгБЮго

Длина волны модулируемого излучения, мкм 0,63 0,35-1,2 0,4-0,7 0,63

Апертура модулятора, мм 0,8x20 10x0,25 10x40 30x30

Число каналов 32 16 100 100

Максимальный контраст отдельного канала 1:50 1:100 > 1:100 1:100

Допустимая расходимость света, град. <5 30 60 60

Диапазон частот модуляции, мГц > 10 0,5 0,8 > 1

Управляющее (полуволно-

вое) напряжение, В 230 134 70 1500

В заключении сформулированы основные выводы диссертации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

1. Разработан метод расчета локального индуцированного двуиреломлешш при произвольной относительной ориентации электрического поля и волнового вектора световой волны.

2. Исследованы особенности модуляции световой волны при пространственно-модулированной оптической анизотропии в многоканальном электрооптическом модуляторе. Получены выражения пространственного распределения комплексной амплитуды и интенсивности считывающего света в частотной плоскости для модуляторов на линейном и квадратичном электрооптическом эффекте в схеме спектроанализатора при налтгпш линейного анализатора на выходе схемы и без него.

3. Проведены расчеты относительного пропускания поляризационной системы с оптически активным электрооптическим кристаллом "на проход" и "на отражение" в общем виде, без ограничений параметров внешних воздействий: направления распространения света и приложения внешнего электрического поля, состояния поляризации падающего света. Проведен анализ влияния поляризации падающего света на характер пропускания поляризационной системы с оптически активным электрооптическим кристахтом. Выявлены особенности влияния оптической активности (гаротрошш) на характер пропу скания света, на основании чего даны рекомендации по ориентации оптически активного кристалла в модулирующих устройствах. Показано, что применение термина "полуволновое напряжение" для оптически активных кристаллов является некорректным.

4. В сложной слоистой структуре в условиях изолированного электрода в монокристалле силиката висмута обнаружены низкочастотные пульсащш оптической анизотропии. Пульсации наблюдаются при одновременном воздействии сильного электрического поля и фото активного освещения. Частота пульсащш линейно увеличивается с увеличением внешнего электрического поля и уменьшением длины волны фотоактнвного света. Обнаруженная неустойчивость оптической анизотропии представляет интерес не только с физической точки зрения, но и с точки зрешш создания оптических модулирующих и кодирующих устройств с модуляцией вида: интенсивность фо-

тоактивной засветки - частота пульсаций модулируемого света.

5. Выявлена роль естественной анизотропии в формировании пространственного состояния поляризащш собственных мод при электрооптнческом эффекте в кристаллах нпобата литпя. Показано, что в условиях равенства естественной и шщуцироваиной анизотро-шш в кристаллах нпобата лития наблюдается неустойчивость про-странствешюй орнептацш1 собственных мод поляризащш, что проявляется в относительном пропускании модулирующих устройств.

6. Выявлена роль расходимости светового пучка на электрооп-тическпе параметры модулятора на шюбате лития. Полученные формулы дают возможность проводить анализ оптимального использования пространственно-временных модуляторов света на основе кристаллов нпобата литпя в реальных оптических системах с точки зрения оптимизации развязки каналов модулятора.

7. Экспериментально подтверждено несоответствие оптически 1шдуцпров аннон анизотропии с существующей феноменологической теорией в монокристаллах магнониобата свинца. Показано, что это явление может быть объяснено в рамках орпентащюнной теории электрооптического эффекта в сегнетоэлектриках с размытым фазовым переходом.

8. Исследована роль упрутих напряжений в прозрачной сегне-токерампке ЦТСЛ, проявляющаяся в особенности начального участка кривой относительного пропускания.

9. Рассмотрены особенности влияши переключения спонтанной поляризации в кристаллах молибдата гадолиния на величину двутгреломлештя и ориентацию собственных векторов поляризащш. Показано, что при наклонных срезах кристалла возможна стабилизация доменной стенкн.

10. Предложен способ локализащш спонтанной поляризации кристаллов молибдата гадошшия путем создания направленных упругих напряжений.

11. Разработаны и исследованы многоканальные электрооптп-ческие модуляторы на продольном эффекте в кристаллах силиката висмута, на поперечном эффекте в кристаллах нпобата лития и магнониобата свпнца, на основе прозрачной сегнетокерамнкп ЦТСЛ.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Бережной A.A., Плахотшпс E.H.,Попов Ю.В."Многоканальная модуляция оптического излучения на основе кристаллов силиката висмута"-111 Всесоюзная конференция по вычислительной оптоэлектронике" Проблемы оптической памяти", Ереван, 1-3 ноября 1987г.,Сб.тезпсов,с.168-169.

2. Бережной A.A., Плахотник E.H., Попов Ю.В. "Многоканальный электр о оптический модулятор света" - Авторское свидетельство № 1414135 с приоритетом от 07.07.1986г.

3. Плахотннк E.H. "Особенности многоканального излучения в прозрачной сегнетокерамшсе"- 111 Всесоюзная конференция молодых ученых и специалистов "Теоретическая и прикладная оптика", Ленинград, Сб. тез. докладов, 1988, с.50.

4. Бережной A.A., Плахотник E.H. "Проявление оптической активности кристаллов силиката висмута в электрооптических устройствах"- ОМП №5, 1990, с. 19-23.

5. Бережной A.A., Плахотннк E.H. "Фотопндуцпрованная неустойчивость локальной оптической анизотрошш в кристаллах силиката висмута" -ЖТФ, 1990, т.60, вып.2, с.205-206.

6. Бережной A.A., Плахотннк E.H. "Исследование многоканальной модуляции оптического излучения в кристаллах шюбата литая"- ЖТФ, 1990, т.60, вып. 11, с. 142-146.