Введение к работе
Актуальность темы
Исследованию процессов взаимодействия лазерного излучения с сегнето-электрическими кристаллами посвящено значительное количество теоретических и экспериментальных работ. Это обусловлено тем, что развитие лазерной техники и кристаллооптики открыло широкие возможности для разработки новых методов оптической обработки и передачи информации. Оптические элементы для записи и хранения информации можно реализовать на основе сегнетоэлектриче-ских фоторефрактивных кристаллов. К таким кристаллам относится ниобат лития, который обладает хорошими эксплуатационными характеристиками, большими спектральным и динамическим диапазонами, а также высокой технологичностью. Уникальность кристалла ЫЫЬОз обусловлена наличием в нем целого ряда нелинейно- и электрооптических эффектов (таких, как пироэлектрический, фоговольтаический, электрооптический, фоторефрактивный идр.).
Фоторефрактивный эффект позволяет осуществлять высокоэффективную го-лографическую запись информации. Однако этот же эффект может приводить к фазовым искажениям и ухудшению пространственной структуры лазерных пучков. Сильная деструкция световых пучков при прохождении оптического излучения через фогорефрактивные среды связана со значительным фоторефрактивный рассеянием света (ФРРС). В основном исследования фоторефрактивных кристаллов проводились с целью изучения их голографических характеристик. В то же время исследованию ФРРС, которое характеризуется целым набором разновидностей, посвящено гораздо меньшее количество работ. В связи с этим детальное исследование ФРРС в кристаллах ниобата лития, легированных различными примесями является актуальной задачей.
Сегнегоэлектрические кристаллы могут быть использованы в тепловизионных приборах в качестве чувствительных элементов неохлаждаемых фотоприемников инфракрасного излучения. Обычно чувствительные элементы пироэлектрических приемников имеют малую толщину и поглощающее покрытие, что позволяет увеличить частотный диапазон и чувствительность приемников. Недостатком таких приемников является их слабая энергетическая прочность, поэтому применение приемников проходящего лазерного излучения большой мощности представляет большой интерес.
В тонкослойных контактных системах металл-сегнетоэлектрик-металл (МСМ) термо- и фотоэлектрические явления не только имеют существенные особенности, но и могут определяться свойствами приповерхностной (приэлектрод-ной) области кристалла. В частности, существование внутреннего поля в несимметричной (с разными металлами) сэндвичной системе МСМ приводит к появлению неклассического пироэлектрического отклика (так называемый динамический пироэлектрический эффект). В связи с этим актуальным яв-ляется исследование влияния контактных явлений на фотогальванический и пироэлектрический
ІЯМООЛОИТр* РОС. НАЦИОНАЛЬНА!
вмвляотгкд с о»
отклики кристалла, на его элдктроопти^іеснце \\ _те^мюлоі№|>уреские свойства.
Изучение фотоотклика в системе МСМ также представляет интерес с точки зрения разработки широкополосных приемников излучения.
Таким образом, детальное исследование термо- и фотоэлектрических эффектов в различных пироэлектрических кристаллах, их взаимного влияния, выявление особенностей протекания этих процессов вызывают научный интерес и требуют дальнейшего изучения, особенно применительно к приемникам ИК излучения.
Цель работы.
Целью работы является исследование закономерностей и особенностей фото-и термоиндуцированных эффектов, фоторефрактивного рассеяния света в легированных и нелегированных кристаллах ниобата лития и других пироэлектрических кристаллах.
Для достижения указанной цели в работе решались следующие задачи:
-
Исследовался пироэлектрический эффект при объемном поглощении излучения в кристаллах ниобата лития, иодата лития, триглицинсульфата; влияние на пироэлектрический отклик пространственного положения лазерного луча по отношению к электродам, а также влияние дефектов кристалла на регистрируемый пироэлектрический отклик.
-
Исследовалась термостимулированная ЭДС в легированных кристаллах ниобата лития с парой электродов из различных металлов, пропорциональная температуре кристалла.
-
Исследовался фотоотклик в легированных кристаллах ниобата лития с разными электродами, включающий компоненту, обусловленную наличием термо-стимулированной ЭДС.
-
Экспериментально исследовались влияние состава и концентрации легирующих добавок в фоторефрактивном кристалле ниобата лития, состояния и геометрии кристаллического элемента, а также типа четырехволнового взаимодействия световых волн на вид оптической индикатрисы фотоиндуцированного рассеяния света и на спекл-структуру рассеянного излучения.
-
Экспериментально исследовалось влияние на индикатрису фоторефрактивного рассеяния внутренних и внешних электрических полей.
-
Исследовалась нестационарная кольцевая структура в рассеянном излучении.
-
Исследовался новый вид коноскопических фигур в слаборасходящихся пучках и применение их для наблюдения оптически наведенных неоднородностей показателя преломления в кристалле.
8. Разработаны новые специализированные методы и на их основе устройства регистрации излучения, в том числе в ИК области спектра, для упрощения конструкций и обслуживания приборов, улучшения технических характеристик приборов (быстродействие, увеличение пространственного разрешения), увеличения возможностей в обработке информации об объекте.
Научная новизна представленных исследований заключается в следующем:
-
Обнаружена зависимость пироэлектрического отклика в кристаллах ниобата лития, иодата лития, триглицинсульфата и др. в случае объемного поглощения излучения от пространственного положения лазерного луча по отношению к электродам, а также влияние дефектов кристалла на регистрируемый пироэлектрический отклик.
-
Разработан пироэлектрический микроскоп для обнаружения дефектов в пироэлектрических кристаллах.
-
Предложена электродинамическая модель гермо-ЭДС в легированных кристаллах ниобата лития с двумя электродами из различных металлов.
-
Предложено использовать термостимулированный отклик системы металл-сегнетоэлектрик-металл для регистрации инфракрасного излучения.
-
Впервые экспериментально исследованы пространственные структуры индикатрисы фотоиндуцированного рассеяния света в кристаллах ниобата лития с двойными легирующими добавками, а также индикатрисы фотоиндуцированного рассеяния света в кристаллах LiNb03:Rh.
-
Предложена методика исследования фоторефрактивных кристаллов, заключающаяся в наблюдении коноскопических картин в широкоапертурных слаборас-ходящихся пучках излучения, с помощью которых производится определение оптических характеристик кристаллов.
-
Обнаружена и исследована нестационарная кольцевая структура фотоиндуцированного излучении для х- и у срезов кристалла.
8. Разработаны и изготовлены тепловизионные приборы для исследования объектов железнодорожного транспорта и биологических объектов, а также ИК-радиометр, микротепловизор.
Практическая ценность работы
Полученные в диссертационной работе научные результаты служат основой для создания новых нелинейно-оптических элементов и на их основе приборов, применяемых для измерения параметров электромагнитного излучения, бесконтактного измерения температуры, неразрушающего контроля свойств сегнето-электрических материалов. Проведенные исследования позволили создать детекторы излучения, обладающие рядом преимуществ перед обычными тепловыми приемниками излучения (например, большей чувствительностью для излучения с инфранизкими частотами модуляции), а также приборов нового типа, применяемых в открытых и волоконных оптических линиях связи. На основе полученных авторских свидетельств были разработаны и изготовлены тепловизионные приборы для исследования объектов железнодорожного транспорта и биологических объектов, а также ИК-радиометр.
На защиту выносятся следующие основные положения:
-
Аномально высокий пироэлектрический отклик, возникающий при попадании сфокусированного лазерного пучка на дефект в объеме кристалла, позволяет проводить томографическую диагностику кристаллов.
-
Электродинамическая модель термостимулированной ЭДС, обусловленной контактной разностью потенциалов на границах раздела металл-сегнетоэлектрик, согласуется с экспериментальными зависимостями величины ЭДС от концентрации примеси, температуры и геометрии кристалла.
-
Эффект термоЭДС в легированных кристаллах LiNb03 с электродами из различных металлов перспективен для регистрации излучения широкого спектрального диапазона с инфранизкими частотами модуляции, а также для создания координатно-чувствительных приемников излучения.
-
Поляризационная зависимость коэффициента поглощения света в легированных кристаллах ниобата лития зависит от длины волны света и от рода легирующей добавки.
-
Оптические индикатрисы фоторефрактивного рассеяния света и спекл-структура излучения, рассеянного кристаллом ниобата лития, определяются наличием и составом легирующих добавок, геометрией кристаллического образца и его состоянием, а также типом взаимодействия световых волн.
-
В оптических кристаллах, кроме известных коноскопических фигур в виде двух семейств гипербол, существует нестандартные фигуры в виде окружностей, эллипсов, параллельных полос, наблюдаемые в широкоапертурных слаборасхо-дящихся пучках, которые можно использовать для наблюдения оптически наведенных неоднородностеи показателя преломления в сегнетоэлектрических кристаллах.
-
Применение специализированных методов регистрации видимого и ИК излучения (использование излучения дополнительной решетки в качестве излучения опорного источника, измерение потока излучения опорного источника дополнительным приемником,! использование в начале сканирования эталонного источника излучения с уменьшением шага сканирования, измерение потоков излучения от исследуемого объекта через определенные интервалы времени с последующей обработкой информации) позволяет повысить чувствительность и быстродействие, увеличить пространственное разрешение оптико-электронных приборов.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались на следующих конференциях:
-
Всесоюзных конференциях «Использование современных физических методов в неразрушающих исследованиях и контроле», Хабаровск, 1979,1987
-
Всесоюзной научно-технической конференции «Фотометрия и ее метрологическое обеспечение», Москва, 1979.
3. Всесоюзном научном семинаре «Метрология лазерных измерительных сис
тем», Волгоград, 1991.
-
Школе-семинаре «Люминесценция и сопутствующие явления», Иркутск, ИГУ, 1997,2001.
-
International Conference "Single crystals and their application in the XXI century - 2004", VNnSIMS, Alexandrov, 2004.
-
Научно-технической коференции "Повышение эффективности работы ж.-д. транспорта Сибири и Дальнего Востока".- Хабаровск: ДВГУПС, 1997.
-
Международном симпозиуме «Принципы и процессы создания неорганических материалов» (І-П Самсоновские чтения), Хабаровск, "Дальнаука", 1998,2002.
-
Краевой научной конференции «Физика: фундаментальные исследования, образование», Хабаровск, XI ГУ, 1998.
-
2-ой Российской национальной конференции по теплообмену, Москва, МЭИ, 1998.
10. I - Ш Международной конференции молодых ученых и специалистов
«Оптика-1999,2001,2003», С.-Петербург, 1999,2001,2003.
-
ХХХХИ-ой Всфоссийской межвузовской научно-технической конференции «Фувдаментальные и прикладные вопросы физики и математики», Владивосток, 1999.
-
FIRST INTERNATIONAL CONFERENCE FOR YOUNG ON LASER OPTICS (LO-YS 2000), St-Petersburg, Russia, from June 26 to June 30,2000.
-
Ill International Symposium on "Modern Problems of Laser Physics", Novosibirsk, Russia, 2000.
-
VII Международном симпозиуме "Оптика атмосферы и океана", Томск, ИОАСОРАН,2000.
15. I-IV Asia-Pacific Conference Fundamental Problems of Opto- and
Microelectronics Proceedigs, Vladivostok, Xabarovsk, 2001-2004.
16. XV7L International conference on coherent and nonlinear optics ICONO'2001,
Minsk, Belarus, 2001.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения и списка литературы. Работа содержит2//страниц машинописного текста, т /рисунков, список использованной литературы из 3?2,наименований.
