Введение к работе
Актуальность темы. Динамическая голография — одно из перспективных направлений современной нелинейной оптики. Возможность записи и считывания голограммы «в реальном времени» значительно расширяет сферу применения голографии для управления пространственно-временной структурой излучения. Хотя основные принципы динамической голографии сформулированы относительно недавно, их использование уже привело к значительным результатам в таких, например, областях, как оптическая обработка информации, оптическая связь, управление световыми потоками.
Важнейшее применение методы динамической голографии нашли в такой области, как обращение волнового фронта (ОВФ) излучения, которая связана с решением целого ряда актуальных задач современной квантовой электроники: передачей информации через неоднородные среды, получением лазерных пучков дифракционного качества в оптически несовершенных активных средах, автофокусировкой излучения и др.
Одним из первых методов ОВФ излучения был предложен метод четырех-волнового смешения (ЧВС) излучения в среде с кубичной нелинейностью. В терминах нелинейной оптики ЧВС - это нелинейный процесс, в котором взаимодействие трех волн в нелинейной среде приводит к генерации четвертой волны. Эффективность ЧВС излучения определяется величиной коэффициента кубичной нелинейности среды х . Физические механизмы, лежащие в основе кубичного нелинейного отклика, весьма разнообразны. Наибольшими значениями коэффициента % характеризуются резонансные механизмы нелинейности, использование которых, однако, ограничено узким спектральным диапазоном. Свободным от этого недостатка являются среды с тепловой нелинейностью (например, основанной на таком универсальном явлении, как тепловое расширение среды). Использование этого механизма нелинейности обеспечивает высокую эффективность ЧВС импульсного излучения в газах, полупроводниках, жидкостях.
В микрогетерогенных многокомпонентных средах существуют специфические механизмы нелинейности, обусловленные перераспределением концентраций компонент (термофорез в газах, суспензиях, эффект Соре в жид-
кофазных бинарных смесях). При этом термоиндуцированная нелинейность жидкофазной двухкомпонентной среды (например, микроэмульсии вблизи критической температуры) может значительно превышать таковую для гомогенных сред.
Значительное преимущество гетерогенных сред состоит в возможности технологического управления их параметрами (например, за счет изменения объемной доли различных компонент и их состава), что позволяет в широких пределах регулировать нелинейно-оптические характеристики среды. В общем случае к гетерогенным нелинейным средам можно отнести как микрогетерогенные дисперсные среды (суспензии, эмульсии, аэрозоли), так и макро-гетерогенные - плоскослоистые среды, в механизме нелинейности которых существенную роль играет наличие границ раздела фаз.
Наиболее актуально исследование указанного класса сред, обладающих большой нерезонансной термоиндуцированной нелинейностью, для ИК-диа-пазона спектра, где отсутствуют эффективные фоточувствительные механизмы нелинейности, успешно «работающие» в видимой части спектра и источники когерентного излучения в котором обладают, как правило, сложным и нестабильным спектральным составом.
Целью настоящей диссертации является исследование термоиндуцирован-ных механизмов нелинейности гетерогенных сред, пригодных для записи динамических голограмм низкоинтенсивным излучением в широком спектральном диапазоне.
Основные задачи диссертационной работы:
1. Исследование концентрационных механизмов тепловой нелинейности
микрогетерогенных дисперсных сред с жидкой дисперсионной средой с целью
определения эффективности записи фазовых и амплитудных голограмм, вза
имного влияния электрострикционной и термодиффузионной нелинейностей.
2. Выявление взаимосвязи электрофизических и нелинейно-оптических
свойств окиснованадиевых пленок в области термоиндуцированного фазового
перехода полупроводник-металл (ФППМ) с целью определения характеристик
динамических голограмм в среднем ИК-диапазоне спектра, изучение возмож
ностей их оптимизации, в том числе за счет использования различных методов
- трехволнового смешения излучения на поверхности среды и ЧВС поверхно
стных электромагнитных волн (ПЭВ).
3. Исследование эффективности записи рельефных динамических голо
грамм на основе термоиндуцированного фазового перехода (плавления) в тон
кослойной среде и реализация обращения волнового фронта излучения сред
него ИК-диапазона спектра.
-
Определение вклада термоиндуцированнои составляющей в квазиста- , ционарный фототок в легированном железом кристалле ниобата лития с электродами из разных металлов с целью выявления влияния электродов, на, фотогальванические свойства приповерхностной области кристалла. Исследование зависимостей величины термоиндуцированнои составляющей от концентрации легирующей примеси, температуры и геометрии кристалла.
-
Определение эффективности отражения, динамического диапазона и пространственно-частотных характеристик ОВФ-зеркал на основе сред с термоиндуцированнои нелинейностью, а также диапазона технологического управления параметрами конкретных нелинейных сред.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Проанализирован концентрационный механизм записи фазовых динамических голограмм в микрогетерогенной жидкофазной среде, включающий термодиффузионный и электрострикционный вклады, определена их роль, в эффектах самовоздействия излучения.
-
Экспериментально реализован термодиффузионный механизм просветления суспензии поглощающих частиц, проанализирована эффективность записи амплитудных динамических голограмм в среде с различающимися.коэф-фициентами поглощения компонент.
-
Экспериментально исследована эффективность записи динамических голограмм на поверхности пленок двуокиси ванадия в окрестности термоиндуцированного ФППМ в среднем ИК-диапазоне спектра, исследован диапазон ;, технологического управления голографической чувствительностью данной среды.
4. Предложено использовать среды с термоиндуцированным ФППМ для
реализации ОВФ при ЧВС поверхностных электромагнитных волн, рассмотре-.
ны эффекты самовоздействия поверхностных электромагнитных волн в таких,
средах.
5. Исследована эффективность записи рельефных динамических голограмм
в среде с термоиндуцированным фазовым переходом (плавлением). Экспери-
ментально продемонстрировано ОВФ многочастотного излучения СО-лазера на основе данного механизма в пленках атмосферного льда.
-
Показано, что возникающий под действием излучения квазистационарный фототок в гетероструктуре металл - кристалл ниобата лития (LiNbC>3:Fe) -металл включает термостимулированную компоненту, величина которой пропорциональна температуре кристалла; обнаружена координатная зависимость фототока. Выявлена зависимость величины термостимулированной компоненты от геометрии образца и концентрации примеси.
-
Определены основные характеристики обращающих волновой фронт зеркал на основе сред с термоиндуцированной нелинейностью: эффективность нелинейного отражения, пространственно-временное разрешение, динамический диапазон; установлена их взаимосвязь и зависимость от физических параметров среды.
Практическая ценность результатов работы состоит в следующем:
Результаты исследования термоиндуцированных концентрационных нели-нейностей позволяют существенно повысить точность известных нелинейно-оптических методов изучения свойств многокомпонентных сред (таких, как метод тепловой линзы, термодиффузионное вынужденное рассеяние излучения), а также развить новые (например, метод самомодуляции поглощения среды, амплитудной динамической голографии в поглощающих многокомпонентных смесях).
Предложены способы технологического управления нелинейно-
оптическими параметрами окиснованадиевых пленок, что значительно расширяет функциональные возможности нелинейно-оптических устройств на их основе.
Полученные в работе результаты исследования термоиндуцированных механизмов записи рельефных динамических голограмм могут быть использованы для разработки эффективных нелинейно-оптических методов исследования теплофизических параметров сред.
Экспериментально продемонстрировано использование структуры металл-ниобат лития-металл для регистрации потоков излучения широкого спектрального диапазона в области инфранизких частот модуляции.
Прикладной характер имеют результаты исследования влияния теплового самовоздействия излучения на эффективность и качество фазового
сопряжения при ЧВС излучения, предложена схема компенсации тепловой линзы, образованной опорными волнами в нелинейной среде.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в отечественных и зарубежных журналах, монографии, материалах и трудах научных конференций и докладывались на VII и VIII Всесоюзных конференциях по взаимодействию оптического излучения с веществом (г. Ленинград, 1987, 1990 гг.); I Российской конференции по тепломассообмену (г. Москва, 1998); II Всесоюзной конференции «Обращение волнового фронта в нелинейных средах» (г. Минск, 1989 г.); V Всесоюзном семинаре «Фотофизика поверхности» (г. Ленинград, 1989); Международной конференции молодых ученых «Горячие электроны и коллективные явления в полупроводниках» (г. Вильнюс, 1990 г.); IV и VII Всероссийских школах - семинарах «Люминесценция и сопутствующие явления» (г. Иркутск, 1998, 2001 гг.);
-
и XI Международных Вавиловских конференциях по нелинейной оптике (г. Новосибирск, 1990, 1997 гг.); I и III Международных симпозиумах «Принципы и процессы создания неорганических материалов» (г. Хабаровск, 1998, 2006 гг.); 2-й и 3-й Международных конференциях молодых ученых и специалистов «Оптика-2001», «Оптика-2003» (г. Санкт-Петербург, 2001, 2003 гг.); региональных научных конференциях «Физика: фундаментальные и прикладные исследования, образование» (г. Хабаровск, 1998 г.; г. Благовещенск, 2002 г.); Международной конференции «Кристаллы: рост, свойства, реальная структура, применение» (г. Александров, 2003 г.); Международной юбилейной конференции «Single crystals and their application in the XXI centure-2004» (г. Александров, 2004 г.); VII Международной конференции «Опто-, нано-электроника, нанотехнологии и микросистемы» (г. Ульяновск, 2005 г.); VII,
-
и XII Международных симпозиумах «Оптика атмосферы и океана» (г. Томск, 2000, 2004, 2005 гг.); Международном оптическом конгрессе «Оптика ХХІ-век» (г. Санкт-Петербург, 2004 г.); I и IV Азиатско-тихоокеанских конференциях «Фундаментальные проблемы опто- и микроэлектроники» (г. Владивосток, 2000 г.; г. Хабаровск, 2004 г.); Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике «ICONO/LAT-2005» (г. Санкт-Петербург, 2005 г.).
Личный вклад автора. Автору принадлежит постановка конкретных экспериментальных и теоретических задач, разработка экспериментальных методик, интерпретация и обобщение экспериментальных и теоретических исследований, разработка основных защищаемых положений.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы составляет 314 страниц, в том числе 96 рисунков и 8 таблиц. Список цитированной литературы содержит 384 библиографические ссылки, включая 58 публикаций автора по теме диссертации.
-
Концентрационный механизм нелинейности жидкофазной микрогетерогенной среды (суспензии, микроэмульсии) обусловлен термодиффузионным и электрострикционным эффектами, вклады которых для размера дисперсных микрочастиц в несколько десятков нм могут быть сравнимы по величине.
-
Термодиффузия в бинарной жидкофазной смеси с различающимися коэффициентами поглощения компонент обеспечивает эффективность записи амплитудных динамических голограмм, сравнимую с таковой для тепловой нелинейности однокомпонентных сред.
-
Окиснованадиевые пленки в области термоиндуцированного фазового перехода полупроводник-металл пригодны для реализации фазового сопряжения непрерывного излучения среднего ИК-диапазона в схеме обращения волнового фронта отражающей поверхностью. Величины эффективности и динамического диапазона нелинейного отражения могут целенаправленно изменяться в широких пределах (в десятки раз) в зависимости от технологических условий получения образцов. Использование четырехволнового смешения поверхностных электромагнитных волн в средах с фазовым переходом полупроводник-металл позволяет значительно увеличить эффективность взаимодействия излучения (по сравнению со случаем объемных волн) и добиться угловой селективности нелинейного отражения.
-
Механизм модуляции рельефа границы раздела сред на основе термоиндуцированного фазового перехода (плавления) обеспечивает эффективное (до 40 % для интегральной по спектру мощности) обращение волнового фронта
низкоинтенсивного (несколько Вт/см2) многочастотного излучения ИК-диапазона спектра.
-
Квазистационарный фототок в легированных железом кристаллах LiNbCb с двумя тонкопленочными электродами из различных металлов содержит, кроме фотогальванического тока, термостимулированную компоненту, величина которой пропорциональна температуре кристалла и зависит от концентрации примеси и геометрии образца.
-
Динамический диапазон, пространственно-временное разрешение и эффективность записи динамических голограмм в средах с тепловой нелинейностью являются взаимосвязанными характеристиками и определяются термодинамическими параметрами среды.
