Кристаллы квантовой и нелинейной оптики - Блистанов А.А.
ISBN 5-87623-065--0
Скачать (прямая ссылка):
Явление фоторефракции обнаружено в ряде кристаллов. Наиболее полно этот эффект изучен в таких кислородно-октаэдрических кристаллах, как LiNb03, ЫТаОз, BaiNaNbsOis, BaxSri-^NaNbsOis, ВаТЮз, KNb03. Обнаруживается ФР и в ряде других кристаллов, например в германатах и силикатах висмута, пъезополупроводниках типа А2В6 и А3В5 с примесями. Практическое применение ФР эффекта сдерживается относительно невысокой фоторефрактивной чувствительностью кристаллов, в которых этот эффект обнаружен. Большее практическое значение приобрела проблема подавления ФР в тех кристаллах, в которых этот эффект является вредным, снижающим оптическую стабильность кристаллических элементов. Для выяснения возможности повышения ФР или, наоборот, ее подавления необходимо понимание механизма этого эффекта, и в первую очередь механизма возникновения пространственного заряда.
233
Рис. 9.47. Оптическая схема для изучения фоторефрактивного эффекта поляризационным методом:
1 - гелий-иеоновый лазер, используемый для измерения ФР-эффекга; 2 - аргоновый лазер, используемый для оптического повреждения кристалла; 3 - поляризаторы; 4 - кристалл; 5 - кварцевый клин; 6 - полупрозрачное зеркало; 7 - четвертьволновая пластинка; 8 - зеркало
Для изучения ФР-эффек-та используются два основных метода: поляризационно-оптический и голографический. В поляризационнооптическом методе измеряется наведенное двупрелом-ление, возникающее в кристалле под действием света. Для измерения величины наведенного двупреломле-ния применяется метод, основанный на компенсации оптической разности хода с помощью кварцевого клина. Оптическая схема, используемая в этом методе, показана на рис. 9.47. Кристалл располагается между скрещенными поляризаторами так, что ось z ориентирована под 45° к плоскостям поляризации. Оптическая ось кварцевого клина параллельна оси г. Кристалл имеет возможность перемещаться в плоскости, нормальной оптической оси, что позволяет сканировать кристалл лазерным лучом. Наведенное двупреломление 8Ап возникает за счет «засветки» отно-
234
Засбетка
Рис. 9.48. Распределение наведенного двупрелом-леиия 5(Дл) в кристалле LiNbOj вдоль полярной оси:
а - изменение показателя преломления; б - распределение зарядов пластины
Рис. 9.49. Оптическая схема, используемая для записи голографической решетки в фо-торефрактивных кристаллах:
I - аргоновый лазер; 2 - призма Глана; 3 - зеркала; 4 - кристалл; 5 - фотоприемиики
сительно малой области кристалла (доли миллиметра по апертуре) лазерным лучом, интенсивность которого достаточно высока, а длина волны достаточно мала для проявления фоторефракции в данном кристалле. Измерение фоторефракции проводится сканированием кристалла зондирующим лучом. Результат сканирования кристалла LiNbCb лучом Не - Ne лазера после наведения ФР показан на рис. 9.48.
Голографический метод заключается в исследовании интенсивности дифракции на голографических решетках, создаваемых с использованием фоторефрактивного эффекта. Дифракционная решетка в фоторефрактивным кристалле возникает при периодически неоднородном распределении интенсивности света, которая создается в результате взаимодействия двух оптических лучей - опорного R и сигнального S (рис. 9.49). При попадании в кристалл лучей Rn S с волновыми векторами ки к2п длиной волны X так, что векторы к\ и к2 составляют угол 0, в кристалле возникает периодическое изменение интенсивности света
Величина т определяется соотношением интенсивностей опорного h и сигнального h лучей
(9.13)
с периодом
А = )72sin(0/2).
(9.14)
(9.15)
Неоднородное распределение интенсивности света приводит к возникновению градиентов концентрации фотовозбужденных (не-
235
равновесных) носителей и их направленной диффузии. Кроме того, неоднородная освещенность может приводить к появлению фото-вольтаического тока. В результате периодическое распределение интенсивности света создает периодическое распределение объемного заряда и соответствующее электрическое поле. В электроогггическом кристалле это поле приводит к появлению периодического изменения Ап, т.е. к появлению фазовой дифракционной решетки. В этом случае сигнальный луч после прохождения через кристалл разделится на два
- основной /„ распространяющийся в прежнем направлении, и дифрагированный Id, распространяющийся в направлении опорного луча. Выключив опорный луч, можно наблюдать дифракцию сигнального луча на этой решетке в том направлении, в котором распространялся опорный. Дифракционная эффективность для сигнального луча определяется как
Исследуя зависимость г) от интенсивности R и S лучей и скорости появления дифракционной решетки под действием света, можно получить информацию о фоторефрактивных свойствах кристалла.
Поле Е„ пространственного заряда р„ возникает в результате фототока в освещенной области кристалла, приводящего к разделению зарядов. Схема распределения заряда и наведенного преломления показана на рис. 9.48. Величина Е„ определяется как
Существует несколько причин разделения заряда. Первая и наиболее очевидная из них - воздействие на кристалл внешнего электрического поля, приводящее к появлению внутреннего поля компенсации Ет. Величина поля компенсации и скорость его возрастания определяются суммарной проводимостью кристалла ст = стт + аф (стт -темновая проводимость; фотопроводимость).
