Исследование записи голограмм в фоторефрактивных кристаллах в переменных электрических полях тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

р г б оа

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

1 3 г^В 1995

На правах рукописи УДК 621.373.826

ШЕРШАКОВ Егор Петрович

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАПИСИ ГОЛОГРАММ В <ЮТОРЕФРАКТИВНЫХ КРИСТАЛЛАХ В ПЕРЕМЕННЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЯХ

Специальность 01.04.03 - Радиофизика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

ТОМСК 1995

Работа выполнена в вузовско-ёисадемической лаборатории нелинейной оптики Института электрофизики УрО РАН и . Челябинского государственного технического университета

Научньй руководители - член-корреспондент РАН

Б. Я. Зельдович кандидат физико-математических наук 0. П. Нестеркин Официальные оппоненты- доктор физико-математических наук

С. Г. Одулов кандидат физико-математических наук . В. №. Шандаров

Ведущая организация - Институт Автоматизации и Электрометрии г.Новосибирск

Защита состоится "_"_ 1Ш5 г. в_часов

на заседании Специализированного совета ______________

С диссертацией южно ознакомиться в библиотеке • Томского Государственного Университета.

Автореферат разослан "_"_Л995 г.

Ученый секретарь специализированного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. За последние 23 лет обнаружено большое количество фоторефрактивных материалов, среди которых изоляторы, полупроводники, органические соединения. Фоторефрактивный эффект наблюдается в широком классе электрооптических материалов, включая 1л №>03. 1ЛТа03. ВаТШ3. К№>03, КСТаЫЬ)03. Ва2ЫаЫЬ301д.

Ва1-х15гхмь2с,6* В112СЗ]-ае-,][,1:)0аЗ' СаАз- 1пР и ДР-•

так что его можно считать одним из основных свойств электрооптических кристаллов.

Исследования показали, что механизмы фоторефракции достаточно разнообразны и приводят к возникновению различных динамических решеток, как несмещенных Слокальный отклик) относительно записывающей интерференционной картины СИЮ. так и смещенных (нелокальный отклик) Ш. Тот факт, что Брэгговская самодифракция на смещенной решетке приводит к усилению того из двух пучков, в сторону которого смещена решетка независимо от исходного соотношения их интенсивностей. позволяет использовать это явление для усиления слабых когерентных7световых волн. Рекордное, усиление в 104 раз было получено на кристалле ВаТШ3 12). Эффект перекачки энергии очень важен на практике, на пример, в работе устройств по оптической обработке информации. Открытие обращения волнового Фронта СОВФЗ дало толчок к создании нового типа лазеров, а также возможности в связи с этим иметь мощные' и узконаправленные пучки. Принципиальным шагом в этом направлении было использование ОВФ для компенсации искажений светового пучка после двухкратного прохождения через неоднородную среду 133.

Недавно бьш предложен новый механизм записи: статическая голограмма записывается быстробегущей интерференционной картиной в переменном электрическом поле Ш. Экспериментально новый метод.

получивший название "метод синхронного детектирования", был осуществлен в кристалле ВТО. С точки зрения получения высоких дифракционных эффективностей целесообразно использовать кристаллы, имеющие большие электрооптические коэффиценты: Ва^Зг^Ы^Оц. Ва^МаМЬдО^д'. ВаТЮд. Запись голограмм с помощью нового метода именно в этих кристаллах представляет интерес еще по одной причине - механизм синхронного детектирования является единственным методом, посредством которого можно записать голограмму при приложении внешнего переменного электрического поля в кристаллах с малой дрейфовой длиной электронов в зоне проводимости.

В 1988 г. было обнаружено новое интересное явление - генерация пространственной субгармоники [51. Последнее время в печати идет интенсивное обсуждение теоретического объяснения этого явления. Исследование генерации субгармоники может послужить толчком для создания нового вида мультиплексоров.

Для прикладных целей очень важно знать особенности поведения записанной решетки при взаимодействии пучков приблизительно равной интесивности. В настоящее время наиболее употребительна теория, которая описывает поведение голограммы при малых контрастах воздействующей интерференционной картины [6]. На повестке дня стоит вопрос адекватного списания поведения записанной решетки в области больших контрастах интерференционной картины и более

детальное экспериментальное описание этих процессов.

» *

Целью настоящей работы является увеличение эффективности отклику ФРК на воздействие бегущей интерференционной картины СИЮ, образованной двумя волнами с разностью частот ■ а. намного презыиаоцей обратное время записи голограммы х~'с СО >> т~') в сегнетоэлектрических кристаллах £>8Ы и Ва^ИЬс^д, а также исследование поведения записанной решетки поля пространственного заряда в зависимости от величины контраста т интерференционно!

картины для различных механизмов записи голограмма, б тек; чясле параметрическое возбуждение решетки пространственной частоты ц/2. где д - волновой вектор интерференционной картины.

Научная новизна и практическая ценность работы состоит в том. что экспериментально продемонстрирована возможность записи голограммы при помощи МСД в новом классе ФРК (сегнетоэлектрическихЗ. Тагаге предсказывается поведение амплитуды основной гармоники при умеренно больших контрастах ИК для различных механизмов записи, что существенно 'важно для прикладных целей. Об'яснена генерация решетки пространственной субгармоники в постоянном электрическом поле, и предложен МСД для получения субгармоники в переменном электрическом поле.

Основные положения, выносимые на замету: ■

- экспериментальное наблюдение усиления и расширения отклика ФРК на воздействие бегущей интерференционной картины с частотой, намного превьаашеа обратное время записи голограммы при приложении переменного электрического поля в сёгнетоэлектрических кристаллах БВЫ и Ва^аМЬдО^д;

- результаты теоретических расчетов и эксперименты, описывающие поведение фундаментальной гармоники поля пространственного заряда при умеренно болывих контрактах записывавшей ИК;

- обоснование параметрической' генерации решетки пространственной субгармоники в ФРК с большой дрейфовой длиной электронов для 'различных механизмов записи.

Практическая ценность работы состоит в том, что расширен класс йЖ. в котором осуществлен МСД. Явление генерации субгармоники

о

может быть применено для создания ' нового вида "оптического переключателя", использующегося в устройствах для оптической збработки информации. Исследование поведения решетки от величины

контраста мокет быть использовано на практике С в интерферометрии вибрируших об'ектов. создании новых видов "нейронных сетей"}, где часто встречается взаимодействие волн приблизительно равной интенсивности.

Апробация работы

Результаты диссертационной работы докладывались на III CPRM'91, г. Беверли США) и IV CPRM'93. г. Киев Украина] Международной конференции по фоторефрактивным материалам, а также обсуждались на научных семенарах в Институте Электрофизики УрО РАН, Челябинском. Техническом Университете, Томском Институте Автоматизированных Систем Управления и Радиоэлектроники.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четьрех глав и заключения. Она содержит 33 рисунка, 2 таблицы и список цитируемой литературы из 97 наименований. Полный объем диссертации 157 страниц. Краткие выводы формулируются в конце каасдой главы.

Сод ржание диссертации.

Во введений обоснована актуальность теш диссертации. сформулирована цель исследования и приведена краткая аннотация работы по главам. *

В первой главе содержится теоретический анализ уже известных механизмов топографической записи в фоторефрактивных кристаллах. Кроме того, в ней предполагается рассмотреть относительно новый механизм записи статической голограммы бегущей интерференционной картиной - механизм синхронного детектирования. Теоретический анализ вьлолнен на основе материальных уравнений, описывающих процесс пространственного разделения заряда в фоторефрактивном кристалле. Представлена графическая интерпретация

записи голограммы пел различных кзхангсзмах.

Во второй главе изложены результаты оригинальных

экспериментальных исследования 2- и 4-волнового невырожденного по частоте взаимодействия в сегнетоэлектрических кристаллах 8а2МзНЬд015 и 8БМ. Праведен обиирньй перечень параметров кристаллов, которьв необходим для исследования фоторефрактивных свойств этих кристаллов. Эксперименты выполнены для стандартной кодификации метода синхронного детектирования СИСЮ: к кристаллу приложено синусоидальное напряжение а частота одного из пучков отстроена на частоту равную частоте приложенного поля. Измерения проводились для разных значений отношения входных интенсивности: для малых величин, где работает линеаризованная теория, а больших. Стоят отметить, что зсперлменты для кристалла ЕШ проводились на длине волны Л = 0.632 мки, а для Ва^аКЬдО^д - X = 0.44 мкм. Результаты измерений для кристалла ЕВЫ представлены на рис" 1. Величина приложенного поля не должна превьшать 5 кВ/см. т.к. в противном случае произойдет разконодоменизгция кристалла. На рис.2 представлены аналогичные результаты, для кристалла Ва2НаМЬд0^д. Экспериментальные результаты находятся в разумном согласии с предсказаниями линеаризованной теории С71. Период записываемой решетки был выбран так. чтоб учесть влияние процесса самодифракции. Для используемых кристаллов диффузия является единственным механизмом, посредством которого могут записываться вторичные решетки. Поворотом оптической оси •' мохнс. из-за наличия вторичной решетки либо уменьшить амплитуду общей решетки. т0о ее увеличить. Влияние диффузии можно исключить увеличением пространственного периода, где этот процесс незначителен. При равном отношении входных интенсивностей вторичные решетки взаимно компенсируются. Такке на рис.3 преде»авлена зависимость коэффицента отражения для четырехволнового взаимодействия "и . дифракционной эффективности от

oso

0=10"

В .g.i.

В В S

о

12»

Eo. kb/CH

Pec.1. Зависимость дифракционной эффективности ъ,

нормализованной на величину отношения интенсивностей сигнал-накачка ß от амплитуды внешнего переменного поля Ео для кристалла SEK. о - оптическая ось вправо а п - оптическая ось влево для " - оптическая ось вправо и ■ - оптическая ось влево для fcicr4; пространственный период А~2 |о-

волнового вектора запвсашюй решетки для кристалла Ва^эНаНэдО^. В конце главы приведено более детальное качественное объяснение учета

процесса саиодвЗраюши-

• * * • '

Третья гяавз посвяаена теоретическому исследованию генерации

пристранственной субгарданики как в постоянном, так и в переменной » . < внеане проложенном поле. Обьясжяше этого явления основывается на

оарэметраческой неустойчивости система [81 в обусловлена

возбуждением волны перезарядки швувек >:ШЮ. Аналитическое *

списание абсолютной неустойчивости основывается на решении

ф

Рис.2. Зависимость дпфрахцронкоЭ эффективности т^ нормализованной на -величину отнозеничя кнтешгвностеЯ скгнал-нзкачка $ от ашлптуды внеэнего пгре:-экного пола Еа для кристалла Ва^аКЬ-О^д. О - оптическая ось вправо; + - оптическая ось влево;

простргнствениъй певкод Л~2 -¡¡а, - -

»

материальных уравнений. . В лгссертаций приведен обзор представлений, которье шгэтся на сетодняаниз день. В трактовке этого явления еае нет полной ясности.. Поэтому даге нег^ногочасленныг*'экспериментальные факты требует дальнейшего теоретического объяснения. • "

На основе материальных уравнений ' в простейшем приближенна находится область существования неустойчивости и. следовательно, и возможности генерации лрострачствекой субгзр.чонкки д/2 для двуу.

Рис.3, а - нормализованная дн^ракцжжная эффективность в зависимости от пространственной частоты 4 для кристалла

Ва-^аЫЬ^д., £о=9 -.сВ^см. р = 1Л25; в - коэффициент отражения ЧВС в зависимости от пространственной частоты д для кристалла Ва^аШ^О^д.

£0=8 кВ/сы, = 1, у/,*1а = 1-^250.

случаев записи: а) постоянное поле и движущаяся интерференцйоная картина; 6У переменное поле и "прыгащая" "дважды за период в момент изменения знака поля интерференыионая картина. После подробного анализа были найдены пороговые значения внешних параметров: амплитуды внешнего поля, концентрации электронов первой гармоники Сили контраста записывающей интерференционой картины).

Представлена область существования неустойчивости субгармоники д/2 на плоскости С<?;£) для обоих случаев. Таким образом, найдена область внешних параметров, в которой субгармоника существует. Оказывается, что ■жесткие ограничения должны быть наложены на кристаллические параметры. Это значат, что параметр характеризующий кристалл, должен быть достаточно велик С~ 25*35). где Л?д - концентрация акцепторов. - произведения подвижности на время нахождения электрона в зоне проводимости, е - заряд электрона, с н «о - восприимчивости кристалла и вакуума, соотвеегвенно.

Дальнейшей теоретической разработки требует некоторый ньоансы генерации субгарыокшга в переменном поле, в том числе а для записи по Степановскому механизму; зависимость появления субгарионнки от частоты; расчет параметра р. для которого уже возможна генерация. Это напрямую связано с развитием теории фоторефрактивного эффекта в области больших контрастов записывающей интерференционой картины.

Четвертая глава посвящена"описанию поведения решетки, записанной посредством различных механизмов, на основе теории . возмущений по контрасту т интерференционой картины . В начале главы представлен общий обзор подходов к описанию процессов записи фоторефрактивной решетки. На сей день до сих пор, нет универсального подхода к этой проблеме при различных внешних параметрах. Поэтому в каждом конкретном случае -целесообразней использовать численный ;чет для количественного соотвествия с экспериментом. 3 следующем параграфе на основе материальных уравнений выводится -¡оправка по контрасту кт\т\2 к первой гармонике поля

V О

1ространственного заряда для записи в" постоянном поле. Получены также вьражения для второй гармоники записанной решетки.

а

сч

2.00 п

1.50

1.00

0.50 -

а 0.00

о.ао

см

0.60 л

0.40

0.20 -

|) 0.00 :

4- х

С?

I I I I I | I I 1 I 1 I I I г'| II I Щ I I Г)

4.00 8.00 12.00

Е. , кУ/ст . .

4-

а.

X

-ь

х +

■ 1 I I I I I I < ■) 11 и 11 I I I | I I I I I 1 I I I 1 -

0.00 4.00 8.00 12.00

Ео> кУ/ст

Рис.4. Зависимость величины. / т) /т ~ от. величины

амплитуды внешнего поля £о для для кристалла ВТО.

А = 4.9 ккм +■ - Степановскнй механизм; п - ЫСД; х -дрейфовый механизм; а) т = 0.26; <П т = 1.

а

0.80

0.60

0.40 -

0.20

-На о а«

х

X

++

а а

X

X

О X

+ □

+ X

0.00 > I I I | > I г I I I I I | II I I | ■

0.00 0.20 0.40 0.60 '0.80

т>

1 ■ I 1.00

Рис.5. Завпстюсть величины* п ~ от величины контраста и* для для кристалла ВТО, А = 4.Э ккм; Е= 10.1 кВ^си: + - Сгелановский механизм; п - ЙСД; х - дреафовьй механизм. -

Существует не только качественное, но и количественное соотвествве с полученнька ранее рузультатаиа. правда, в узком диапазоне. Фундаментальная гармоника записанной реветки сально насылается в резонасньвс механизмах записи. Это значит - шея вшгрып при малых контрастах Ж по амплитуде основной гармоники. ш теряем его с увеличением т. Обратная . картина имеет место пря стационарных механизмах записи.

Далее с помощью известной процедуры [9] усреднения ищется поправка к основной гармонике при записи в. переменном поле. Оказывается, что теория возмущений лишь качественно описывает это поведение. Ко такая процедура дает возможность более ясно представить физическую 'картину процесса нгсьщешзя основной гармоника пра увеличении контраста. Результаты показывают, что при записи методом синхронного детектирования в кристаллах с малой дрейфовой длиной образуется решетка почти идеальной синусоидальной формы. На рис.4-5 представлены экспериментальные результаты для записи в переменном поле для кристалла ВТО. В кристаллах с большой дрейфовой длиной электронов насыцение амплитуды основной гармоники может иметь 'место не только с ростом контраста т при фиксированно:' значении Е , но и в обратной ситуации - при росте Ео С рис.4.а. . кривая МСД) для фиксированного значения т, причем это насыцение не обусловлено недостатком ловушек. Стоит заметить, что для кристаллов с большой дрейфовой длиной для |т| = / максимальна! величина основной гармоники записывается для дрейфового механизма.

В заключении сформулированы основные результаты диссертации:

1) Выполнена впервые запись голограммы в ФРК в переменно синусоидальном поле ' для • сегнетоэлектрического кристалла БВМ Ва^аЫЬдО^д, причем получены очень высокие значения дифракционной эффективности. Благодаря особенностям записи при помощи МСД удается свести к минимуму вредное влияние самодифракции;

2) . Количественно описан процесс генерации пространственно субгармоники на' основе ее параметрической неустойчивости, дл записи голограммы в постоянном поле бегущей ИК;

3) Предложен МСД для обнаружения генеоации - субгармоники Найдены пороговые значения для амплитуды внешнего поля Ео контраста ИК т. Даны рекомендации по вы5ору кристаллов д. наблюдения этого явления;

Й

43 Теоретически обоснована и освоена на практике наиболее эффективная модификация МСД, где записывающая ИК ' не бежит с постоянной скоростью, а дважды за период изменяет свою фазу на я в момент изменения знака приложенного переменного поля типа "меандр".

5) На основе теории возмущений по контрасту т ИК исследовано поведение основной гармоники решетки поля пространственного заряда при приблизительно равных интенсивностях записывающих пучков для различных методик записи в постоянном поле и на диффузионном механизме. Результаты находятся в разумном согласии с выводами других теорий;

6) На основе теории возмущений качественно описано поведение основной гармоники поля решетки пространственного заряда, записанной в переменном поле. Результаты теории предполагают насыление основной гармоники, что и лотверждает эксперимент для кристалла ВТО, имеющего большую дрейфовую длину электронов в зоне проводимости;

73 Показано, что МСД наиболее эффективен при записи голограмм для контраста m ~ / в' кристаллах с малой дрейфовой длиной С например. сегнетоэлектрикиЗ •• нет практически насыаения основной гармоники . поля пространственного заряда; профиль поля пространственного заряда мало '.отличается от -синусоидального распределения: ,

Основные результаты диссертации изложены в следующих журнальных публикациях:

1А. Nestiorkin СТР., ShershaKov Ye.R. Zel'dovlch B.Ya., N. V. Bogodaev. Ivleva L. I.. N. M. PoJozkov , "Phase-locked detection in running interference pattern in photorefractive SBN." -

in Technical Digest on Photorefractive Materials.. Effects and

IS

Devices COptical Society'of America. Washington DC 1991J V.I4. p. 392

2A. Нестеркин О.П., Зельдович Б.Я., Шершаков Е.П., Новиков A.B. "Усиление фоторефрактивного отклика во внешнем переменном поле в кристалле Ba^aNbgOjg." -Письма в ЖЭТФ, т.56, в. 6, с.701, (1992) ЗА. Nestiorkin О.F., Shershakov Ye.P., Zel'dovich B.Ya., Novikov A.D.

"Intensification of г Photorefractive Response by External AC Field in Ferroelectric crystal Ba2NaNb60,5." Optics Letters 13. W 9. p. 684 C1993) Ah. Nestiorkin O.P., Shershakov Ye.P.

"Parametric generation of a spatial subharmonic grating in PRC Theory." -

JOSA В 10. К 10. p. 1807 С1ШЗ) 5A. Nestiorkin O.P., Shershakov Ye.P.

"Nondegenerate spatial subharmonic grating generation in photorefractive crystals"." -Opt. Conan. 96. N 4-6. p.271 С 1993) 6A. Зельдович Б.Я., Шершаков Е.П.

"Фоторефрактивньй отклик при большом контрасте

интерференционной картины" -

Квантовая электроника, т. 21. N 1. с.72 С19943

Список цитируемой литературы

. " s

1. P.Gunter, J. -P.Huignard - "Eds. Photorefractive materials and Their , Applications I, 1!." - Springer-Verlag. Berlin-Heidelberg С1988, 1989> Z. J.Feinberg. R.Hellvarth - Opt. Lett. 5. p,519 C1980)

3. Б. Я.Зельдович, Н. Ф. Пилипецкий. В. В. Шкунов - "Обращение волнового фронта" - Наука, Москва С1935)

4. Б.Я.Зельдович. П.Н.Ильиных. 0.П.Нестеркин чч Невырожденное двухволновое взаимодействие в фоторефрактивном кристалле

Bi i2Ti020 44 ~ ^ь"3 в ЖТФ 13. с. 78 С1989) 3. S.Mai lick. В. Imbert. H.Duccolet. J.P.Herrich and J.-P. Huighard чч Generation of spatial subharmonics by two-wave mixing in nonlinear photorefractive medium чч - J. Appi. Phys. 83 . 5660 С1988) В. V. V. Kuchtarev, V.B.Markov. S.G.Odulov. M.S. Soskin. V.L. Vinetski \\ Holographic storage in electrooptic crystals. I steady state w - Ferroelectrics 22. p.949 C1979)

7. Б.Я.Зельдович, П.H.Ильиных, 0.П.Нестеркин - ЖЭТФ 98. с.851 С1990)

8. В. Slur nan, М. Mann, J.Otten and К. Н. Ringhofer чч Space-charge waves in photorefractive crystals and their parametric excitation чч - JOSA В 10. p. 1919 П993Э

9. S.I.Stepanov. M.P.Petrov чч Efficient unstationary holographic recording in photorefractive crystals under an external alternating electric field чч - Opt. Com. 53, p.292 (1^5)