150600 (Практичне застосування фоторефрактивного ефекту)

ПРАКТИЧНЕ ЗАСТОСУВАННЯ ФОТОРЕФРАКТИВНОГО ЕФЕКТУ

ЗМІСТ

ВСТУП

1. ФОТОРЕФРАКТИВНИЙ ЕФЕКТ ТА УМОВИ ЙОГО СПОСТЕРЕЖЕННЯ

1.1 Фоторефрактивні кристали

1.2 Фоторефрактивний ефект

1.3 Умови спостереження фоторефрактивного ефекту

2. ГОЛОГРАФІЧНА ІНТЕРФЕРОМЕТРІЯ

2.1 Двохекспозиційна голографічна інтерферометрія

2.2 Голографічна інтерферометія в реальному часі

2.3 Голографічна інтерферометія за допомогою двох довжин хвиль

2.4 Голографічна інтерферометія з усередненням учасі

3. АДАПТИВНІ ІНТЕРФЕРОМЕТРИ НА ОСНОВІ ФРК

3.1 Ефект енергообміну фазомодульованих світлових пучків

3.2 Практичні застосування і експериментальні дослідження адаптивних інтерферометрів на основі ФРК

4. ОБЕРНЕННЯ ХВИЛЬОВОГО ФРОНТУ В НЕЛІНІЙНІЙ ОПТИЦІ

4.1 Поняття про обернену хвилю

4.2 Практичне використання ОХФ

4.2.1 Двохпровідний підсилювач

4.2.2 Резонатори з ОХФ дзеркалом

4.2.3 Компенсація спотворень зображення в світловоді

4.2.4 Автофокусування випромінювання

ВИСНОВКИ

ЛІТЕРАТУРА

ВСТУП

Явище фоторефракції було виявлене в 1966 р. при вивченні проходження достатньо потужного лазерного променя через електрооптичні кристали LiNbO₃, LiTaO₃ і деякі інші. Виявилось, що під дією лазерного світла, освітлюючого окрему ділянку зразка, відбувалася локальна зміна показника заломлення кристала. Це приводило до спотворення хвильового фронту променя. Таким чином, промінь світла псував до цього високу оптичну якість кристала — з'являлася неоднорідність показника заломлення в освітленій ділянці, що послужило приводом для первинної назви ефекту optical damege (оптичне пошкодження). Проте незабаром звернули увагу і на важливі позитивні сторони ефекту. З'явилися пропозиції про його практичне використання, і почалося його інтенсивне дослідження. Надалі саме явище все частіше почало називатися ефектом фоторефракції. Оскільки при фоторефракції зміна показника заломлення є оборотною, то фоторефрактивні кристали почали розглядатися як реверсивні світлочутливі середовища. Це виявилося цінною знахідкою для вчених-оптиків, які займалися голографією і оптичною обробкою інформації. З іншого боку, вивчення природи явища фоторефракції виявилося цікавим для фізиків — фахівців в області фізики твердого тіла, напівпровідників, когерентної оптики.

Фізична суть ефекту полягає в тому: що падаючий на кристал промінь світла порушує в освітленій області фотоелектрони, які в результаті дифузії або дрейфу в прикладеному електричному полі (або за рахунок фотовольтаїчного ефекту) йдуть з освітленої області. Потім ці електрони захоплюються в пастки в неосвітлених ділянках кристала. В результаті утворюється просторово неоднорідний розподіл заряду, а отже, і електричного поля усередині зразка. Оскільки в розглядуваних кристалах наявний електрооптичний ефект (їх показники заломлення залежать від електричного поля), то в кристалі з'являється неоднорідний розподіл показника заломлення. Таким чином, відбувається запис зображення. З цієї моделі безпосередньо слідує ряд ключових питань, створюючих загальну-проблему фізики фоторефрактивних середовищ.

1. Природа світлочутливих центрів, які поглинають світло і породжують рухомі носії заряду (у переважній більшості випадків електрони).

2. Процеси формування просторово неоднорідного об'ємного заряду (дифузія і дрейф носіїв, релаксація об'ємного заряду, вплив поля самого заряду на процес його формування).

3. Електрооптичні ефекти в неоднорідному електричному полі; виникнення просторових варіацій показника заломлення, що відображають характер розподілу заряду в кристалі.

4. Розповсюдження і дифракція світла в кристалах з неоднорідним розподілом показника заломлення

Нарешті самостійний інтерес представляє питання про практичні застосування фоторефрактивних середовищ і конкретних пристроїв обробки інформації і управління лазерним випромінюванням за допомогою розглядуваних кристалів. У цьому аспекті вивчаються функціональні властивості фоторефрактивних середовищ, а також передавальні характеристики, чутливість, динамічний діапазон, швидкодія і ін.

Саме питання про практичне застосування фоторефрактивного ефекту розглядається в даній курсовій роботі.

1. ФОТОРЕФРАКТИВНИЙ ЕФЕКТ ТА УМОВИ ЙОГО СПОСТЕРЕЖЕННЯ

1.1 Фоторефрактивні кристали

Фоторефрактивні кристали характеризуються наявністю досить сильного лінійного електрооптичного ефекту (ефекту Поккельса), тобто зміни показника заломлення δn=-n₀³r E₀/2, де r- електрооптичний коефіцієнт, Е₀ - напруженість статичного поля, n₀ - показник заломлення. Сюди відносяться сегнетоелектрики Sn₂P₂S₆, LiNbO₃, LiTaO₃, BaTiO₃ і інші, напівпровідники CdS, CdTe, Bi₁₂SiO₂₀, Bi₁₂GeO₂₀ і т.д. Домішки, які є в кристалах, під дією світла можуть іонізуватися, тобто віддавати електрони в зону провідності, і в результаті виникає зміна показника заломлення. З великого числа різних механізмів розглянемо так званий дифузійний механізм.

В момент іонізації макроскопічна густина заряду не виникає, оскільки заряд електронів точно компенсується позитивним зарядом іонізованих домішок. Але завдяки великій рухливості електрони швидко починають дифундувати від місця збудження, а іони залишаються на місці. В результаті спільної дії просторово неоднорідного збудження і дифузії електронів в напрямку областей з меншою інтенсивністю виникає неоднорідний розподіл об'ємного заряду і, як наслідок, неоднорідне статичне поле, яке через ефект Поккельса модулює показник заломлення.

Дещо інший механізм фоторефрактивного (ФР) відгуку реалізується, якщо на кристал накладено досить сильне статичне електричне поле Е₀. Це поле відносить електрони від позитивних іонів і тим самим створює просторову неоднорідність заряду, поля і показника заломлення.

Цікава властивість ФР середовищ полягає в тому, що в деяких випадках записувані в них динамічні голограми запам'ятовуються на тривалий час при вимиканні дії на них. Записану інформацію можна потім стерти, наприклад, тепловою дією або однорідною засвіткою кристалу.

Ще одна специфічна особливість ФР нелінійності полягає в досить сильній анізотропії коефіцієнта r. Так, у випадку коли хвильовий вектор ФР гратки направлений вздовж оптичної осі в LiNbO₃, коефіцієнт r₃₃ приблизно в 5 разів більший, ніж r₂₂ при орієнтації цього вектора поперек осі.

1.2 Фоторефрактивний ефект

ФР ефект – це зворотня зміна показника заломлення n в об’ємі кристалу, як всередині світлового пучка, так і в прилеглих областях. Величина цієї зміни для деяких матеріалів досягає 10^-4 – 10^-3 (LiNbO₃, LiTaO₃), час пам’яті ефекту коливається в межах від мілісекунд (ВаТіO₃) до місяців (LiNbO₃) [3]. Цю зміну показника заломлення можна стерти шляхом нагріву, однорідного освітлення чи прикладанням сильного електричного поля.

В основному ФР ефект обумовлений наявністю дефектів, що приводять до виникнення в забороненій зоні додаткових рівнів, які виступають як донори або акцептори зарядів. При наявності світла носії заряду (електрони, дірки або ті й інші разом) збуджуються у відповідну зону, де вони дрейфують, дифундують, і знову захоплюються домішками [1,3]. Іншим можливим механiзмом переносу являється активоване свiтлом тунелювання, тобто перескакування iз пастки на пастку.

Яким би не був транспортний механізм, якщо ж кристал опромiнюється неперервно, то в кiнцi – кiнцiв фотоіндуковані носії заряду перерозподiляються у відповідності з розподілом інтенсивності світлового поля. Коли свiтло виключається, то заряди частково залишаються локалізованими (якщо в темнотi кристал є добрим дiелектриком), тобто локалiзованi носiї заряду “запам’ятовують” свiтлову картину.

Iснують деякi загальнi умови, необхiднi для спостереження ФР ефекту: по-перше, для одержання помiтної величини в дослiджуваних кристалах повиннi бути досить великi електрооптичнi коефiцiєнти. Оскiльки ефект має об’ємний характер, необхiдно, щоб довжина хвилi фотозбудження розташовувалась достатньо далеко вiд краю власного поглинання. Тому при дослiдженнi ФР ефекту, його спостерiгають, як правило, в досить широкозонних матерiалах; в якості джерела освiтлення використовують, найчастіше, Не-Nе- (0.6328 мкм) або Ar - (0.448 мкм) лазери. ФР ефект не потребує когерентностi збуджуючого свiтла, а основною умовою помiтної змiни являється достатньо висока енергiя випромiнювання. Значення залежить також вiд тривалостi експозицiї [1, 3].

Величина зміни показника заломлення під впливом електричного поля Е може бути визначена, використовуючи слідуюче співвідношення:

(1.1)

де r_ji – електрооптичний коефіцієнт.

Запис голограми здійснюється внаслідок об’ємної модуляції n, яка відповідає модуляції інтерференційної картини.

Рис.1.1 Схематичне зображення виникнення зсуву ФР гратки відносно смуг інтерференційної картини при дифузійному механізмі формування гратки.

На рисунку: I(x), (x), E_SC(x), n(x) – просторові розподіли інтенсивності світлового поля інтерференційної картини, фотоіндукованого заряду, електричного поля та зміни показника заломлення, відповідно; - фазовий зсув між смугами інтерференційної картини та граткою показника заломлення n.

Таким чином, інтерференційна картина у фоторефрактивному середовищі приводить до появи світлоіндукованого поля просторового заряду Е_sc, яке може досягати декількох кВ/см². Домінування дифузії в цьому процесі приводить до фазового зсуву просторового розподілу поля Е_sc відносно інтерференційної картини, з максимумами в точках, де градієнт заряду максимальний.

1.3 Умови спостереження фоторефрактивного ефекту

Необхідними умовами для фоторефрактивного ефекту в електрооптичних кристалах є:

1. Фоточутливість на даній довжині хвилі.

2. Існування центрів локалізації заряду.

3. Достатньо висока рухливість фотозбуджених носіїв.

Так, в LiNbO₃, легованому залізом, стани Fe²⁺ є заповненими електронними пастками, а Fe³⁺ - іонізованими донорами, і поля просторових зарядів виникають завдяки просторовому перерозподілу двох-валентних станів.

Величини світлової енергії, необхідні для збудження фоторефракції, мають порядок 1÷10² Дж/см², тобто можуть бути забезпечені звичайними лазерними джерелами. Спостерігається значна відмінність величини фоторефракції в різних матеріалах. В одному й тому ж матеріалі ефект суттєво залежить від довжини хвилі збуджуючого світла і температури, а також від таких факторів, як якість кристалів, характер і концентрація домішок. Відзначалася залежність величини фоторефракції від попереднього опромінення рентгенівськими або гаммапроменями.

Фоторефрактивний ефект можна використовувати для оптичного запису інформації в твердому тілі. В залежності від вибору матеріалу таке середовище може бути або реверсивним, або володіти властивістю довготривалої пам’яті. З другого боку, в ряді випадків фоторефрактивний ефект може виявитися лімітуючим фактором для багатьох застосувань. Наприклад, при експлуатації електрооптичних і нелінійних оптичних пристроїв у ряді випадків необхідно обмежувати величину інтенсивності вхідного світлового пучка, оскільки кристали, які використовуються в цих пристроях, при великих інтенсивностях світла можуть виявляти фоторефрактивний ефект, що приводить до нестійкості робочих характеристик.

2. ГОЛОГРАФІЧНА ІНТЕРФЕРОМЕТРІЯ

Голографічна інтерферометрія (див. монографії [4—7] в даний час є одним з найважливіших методів дистанційного неруйнівного тестування в найрізноманітніших областях промисловості, науки, в медицині і так далі. Вона заснована на порівнянні двох або декількох хвильових фронтів, з яких принаймні один є відновленим з голограми. Відзначимо, що саме застосування голографічних методів запису дозволяє інтерферометрувати складні хвильові фронти, у тому числі і відбиті від реальних (не модельних) дифузно розсіюючих об'єктів.

Максимальна точність вимірювань, які виконуються методами голографічної інтерферометрії, може досягати субмікронного рівня. Вона великою мірою визначається використовуваним методом інтерпретації інтерферограми [5], а також точністю визначення положення інтерференційних смуг. Так, при стандартній погрішності таких вимірювань в 0.5—0.1 ширини смуги і при урахуванні того, що зсув смуги на свою ширину відбувається при зсуві відбивючої тестованої поверхні на відстань приблизно λ/4, характерна точність методу при λ = 633 нм складає приблизно 0.1÷0.02мкм.

Перші успішні спроби використання ФРК для цілей голографічної інтерферометрії послідували відразу за виявленням високочутливого запису в Bi₁₂SiO₂₀ (BSO) [8]. Даний кристал і по теперішній час залишається одним з найбільш перспективних для таких застосувань. Застосування ФРК в системах голографічної інтерферметрії найдоцільніше в тих випадках. коли проводиться швидкий якісний контроль виробів при поточному виробництві, безперервному спостереженні за об'єктами або процесами, а також при необхідності контролю їх поведінки під дією низки зовнішніх чинників (температури, навантажень, частоти збудження і т. д.) з метою виявлення екстремальних ситуацій. Саме у подібних завданнях такі найважливіші особливості ФРК, як можливість роботи в безперервному режимі або в циклічному режимі з високою швидкістю повторення за відсутності яких-небудь процедур обробки і скільки-небудь помітної деградації самого ФРК, можуть виявитися вирішальними.

2.1 Двохекспозиційна голографічна інтерферометрія

Суть даної методики полягає в послідовній імпульсній реєстрації на одній і тій же ділянці фоточутливого середовища двох голограм одного і того ж об'єкту (рис. 2.1, а). В результаті освітлення подібної складної суперпозиційної голограми початковим опорним пучком відновлюється зображення об'єкту, покрите мережею інтерференційних смуг. У їх розташуванні, орієнтації, частоті полягає інформація про зміни, що відбулися з об'єктом за час Δt між експозиціями, отримання якої і є основною метою даного експерименту.

Дешифровка результуючої ітерферограми, тобто виявлення реальних змін, що відбулися з об'єктом, є окремим і часто вельми складним завданням. Дещо спрощуючи, можна говорити, що у випадку відбиваючого об'єкту, світлі смуги на відновленому зображенні локалізовані на тих його ділянках, які або зовсім не змістилися, або змістилися на величини, кратні λ/2, вздовж так званих напрямків максимальної чутливості (рис. 2.1). Темні ж смуги при. цьому відповідають ділянкам, що змістилися на відстань λ/4 (2L + 1) (L — будь-яке ціле число), де спостерігається когерентне віднімання амплітуд хвильових полів, відновлених з двох послідовно записаних голограм.

Двохекспозиційні ітерферограми теплових потоків над працюючою радіоелектронною схемою і прозорих пластмасових; моделей під навантаженням (рис. 2.1, б, в) були отримані в [9,10] при використанні кристала BSO.