Введение к работе
Актуальность темы. Фоторефрактивные эффекты в кристаллах силленитов изучаются более 20 лет. Проведенные за последние годы исследования взаимодействий световых волн на фоторефрактивнои нелинейности в электрооптических кристаллах открывают широкие возможности применения фоторефрактивного эффекта. Особый интерес представляют такие технические приложения, как усиление оптических изображений, запись, хранение и обработка информации оптическими методами, обращение волнового фронта, создание элементов для оптических ассоциативных устройств и нейрокомпьютеров и др.
Наиболее просто реализуемым эффектом в фоторефрактивных
кристаллах является двухпучковое взаимодействие. В процессе
двухпучкового взаимодействия происходит, как правило,
однонаправленный обмен энергией между пучками, вследствие чего происходит либо усиление, либо ослабление сигнального пучка. Данное явление связано с формированием в кристалле поля пространственного заряда под воздействием неоднородного освещения и с модуляцией этим полем показателя преломления среды за счет линейного электрооптического эффекта. Кристаллы силленитов ВіпБіОго, Bii2Ge02o, ВІ12ТЮ20 имеют малую электрооптическую постоянную по сравнению с такими фоторефрактивными кристаллами, как ВаТіОз, КИЬОз, LiNb03-Поэтому в кристаллах силленитов для повышения фоторефрактивного отклика используются внешние электрические поля, прикладываемые к ним.
Для описания физических процессов формирования поля пространственного заряда, происходящих в фоторефрактивном кристалле при двухпучковом взаимодействии существует несколько физических моделей. Модель зонного переноса с одним ловушечным уровнем позволяет объяснить большинство эффектов, происходящих в фоторефрактивном кристалле при взаимодействии световых волн на фоторефрактивнои нелинейности, но в некоторых фоторефрактивных кристаллах зависимость
4 коэффициента усиления от интенсивности света, фотоиндуцированное
поглощение, двухскоростной распад решетки в темноте и др. нельзя
объяснить в рамках этой модели.
Названные выше эффекты связывают с наличием в кристалле
дополнительного мелкого ловушечного уровня. Модель
фоторефрактивного эффекта в кристаллах с мелкими ловушками, где единственными носителями заряда являются электроны, разработанная сравнительно недавно, позволяет объяснить названные эффекты. Эта модель применялась к кристаллу титаната бария для описания изменения оптического поглощения и двухпучкового взаимодействия при диффузионном механизме записи в стационарном режиме в отсутствии внешнего поля и для описания также абсорбционной решетки. Проводились исследования влияния мелких ловушек на двухпучковое взаимодействие в кристалле силиката висмута при диффузионной записи в отсутствии внешнего поля. В кристаллах силиката висмута и титаната бария с мелкими ловушками рассматривался двухскоростной темновой распад фоторефрактивной решетки.
Однако, подробных экспериментальных исследований и последовательного теоретического анализа зависимостей коэффициента усиления от интенсивности света, фотоиндуцированного поглощения от времени и других эффектов на основе модели зонного переноса для кристаллов силленитов с мелкими ловушками, к которым могут также прикладываться внешние электрические поля, ранее не проводилось.
Целью настоящей диссертационной работы является теоретическое и экспериментальное исследование фотоиндуцированного поглощения света и фоторефрактивных эффектов в кристаллах силленитов с мелкими ловушками.
Методы исследования фоторефрактивных эффектов основывались на измерении различных зависимостей коэффициента усиления при двухлучковом взаимодействии.
Научная новизна. Теоретически и экспериментально исследовано фотоиндуцированное поглощение света в номинально чистом кристалле
5 титаната висмута. Получены соотношения, описывающие кинетику роста
фотонндуцированного поглощения. Показано, что на длине волны Х=633
нм приращение коэффициента поглощения может достигать значений
Да=0,52 см-' для средней интенсивности света 1о>260 Вт/м2 при его
начальной величине ою=0,16 см-1.
Проведен анализ формирования фоторефрактивной решетки в кристаллах силленитов с приложенным меандровым внешним электрическим полем. Показано, что характерный максимум зависимости коэффициента двухпучкового усиления от пространственного периода решетки при приложенном внешнем поле с увеличением интенсивности света, а также при увеличении концентрации мелких ловушек, смещается в область малых периодов решетки. Показано, что коэффициент двухпучкового усиления в кристалле с мелкими ловушками имеет сильную зависимость от средней интенсивности света. Установлено, что эти эффекты связаны с увеличением среднего количества ионизированных доноров за счет заселения электронами мелких ловушек при увеличении интенсивности света.
Показана возможность наблюдения оптической бистабильности гибридного типа при двухпучковом усилении слабого пучка в фоторефрактивной кристалле, помещенном во внешнее электрическое меандровое поле, путем введения положительной обратной связи между интенсивностью усиленного пучка и амплитудой приложенного поля.
Научная ценность. Развита теоретическая модель, позволяющая описать динамику фотонндуцированного поглощения и динамику формирования фоторефрактивной и абсорбционной решетки в фоторефрактивной кристалле с мелкими ловушками, в том числе в присутствии внешнего меандрового электрического поля.
На основе данной теоретической модели описаны экспериментально наблюдаемые эффекты для номинально чистого кристалла титаната висмута и кристалла силиката висмута, легированного кадмием и определены параметры кристаллов, соответствующих этой модели.
Практическая ценность. Результаты теоретических і! экспериментальных исследований по двухпучковому взаимодействию е кристаллах силленитов с мелкими ловушками могут быть использованы при разработке и расчете характеристик фоторефрактивных устройств, используемых для усиления оптических изображений, обращения волновогс фронта и оптической памяти.
Разработанные фоторефрактивные ячейки на основе кристаллов силликата и титаната висмута могут применятся в устройствах усиления изображений, оптической памяти, обращения волнового фронта и др.
Предложенная схема оптической бистабильности гибридного типа позволяет создать на основе фоторефрактивной ячейки бистабильные элементы для систем оптической обработки информации.
