Практичне застосування фоторефрактивного ефекту

Размещено на http://www.allbest.ru/

Практичне застосування фоторефрактивного ефекту

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 дn=-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 rji - 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), ESC(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 Еsc, яке може досягати декількох кВ/см2. Домінування дифузії в цьому процесі приводить до фазового зсуву просторового розподілу поля Еsc відносно інтерференційної картини, з максимумами в точках, де градієнт заряду максимальний.

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 л/4, характерна точність методу при л = 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 Дt 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 [5]. 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 л/2, вздовж так званих напрямків максимальної чутливості (рис. 2.1). Темні ж смуги при. цьому відповідають ділянкам, що змістилися на відстань л/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.

Рис. 2.1 Схема установки для двохекспозиційної голографічної інтерферометрії прозорих об'єктів (а) і типові двохекспозиційні голографічні-ітерферограми прозорих об'єктів, отримані в [9,10] при запису в кристалах BSО (б,в). 1- лазер, 2- світоподільник, 3- спостережуваний об'єкт, 4 -- зразок взірець ФРК, 5 -- проектуюча лінза, 6 -- видікон, 7 -- монітор.

Найважливішою особливістю ФРК, яку необхідно враховувати в подібних експериментах, є динамічний характер записуваних голограм. Прочитування подібної двохекспозиційної голограми опорним пучком на тій же довжині хвилі неминуче призведе до її оптичного стирання. Тому для подовження часу спостереження відновленого зображення потрібне або ослаблення інтенсивності зчитуючого пучка, або використання запису телевізійного зображення [9].

Стираюча дія позначається не тільки в процесі зчитування, але і протягом запису другої з голограм. Стиранню в даному випадку піддається перша раніше записана голограма. Тому для досягнення максимального контрасту інтерференційних смуг перша голограма повинна записуватися до амплітуди, близько в два рази більшої, ніж друга. При роботі на початковій ділянці запису, де амплітуда голограми у ФРК пропорційна часу запису, це фактично означає приблизно подвоєну величину експозиції при запису першої голограми [9,10].

2.2 Голографічна інтерферометія в реальному часі

При використанні даної методики проводиться імпульсний запис одної єдиної голограми спостережуваного об'єкту в деякий початковий момент часу tо. Далі проводиться спостереження об'єкту, що освітлюється початковим світловим пучком, через голограму, що освітлюється опорною хвилею (рис. 2.2). В результаті за площиною голограми відбувається інтерференція реальної об'єктної хвилі, що відбилася або пройшла через об'єкт в даний момент часу t, і відновленої з голограми хвилі, відповідаючої стану об'єкту у момент часу tо. Аналогічно випадку двохекспозиційної голограми, спостерігач бачить об'єкт, покритий мережею інтерференційних смуг, які відображають різницю між станами об'єкту в моменти часу tо і t. Очевидно, що за наявності стійкої голограми і незмінних умов її (а також об'єкту) освітлення є можливість спостерігати безперервні зміни стану об'єкту в часі, з чим зв'язана назва методу.

Рис. 2.2 Схема установки для отримання голографічних інтерферограмм прозорих об'єктів в реальному часі» [11]. 1 -- спостережуваний об'єкт, 2 -- зразок ФРК, 3 -- вихідна площина; пунктирі лінії показують світловий пучок, відновлений з голограми

Використання ФРК як фото чутливого середовища не дозволяє реалізувати дану методику голографічної інтерферометії в чистому вигляді. Дійсно, безперервне відновлення голограми, записаної у ФРК, рано чи пізно приведе до стирання її початкового стану, що, природно, накладає обмеження на максимально можливу тривалість спостереження за об'єктом. Більш того, при одночасному розповсюдженні через ФРК об'єктної хвилі в його об'ємі за відсутності спеціальних засобів застереження додатково записуватимуться голограми всього набору станів за час спостереження об'єкту через голограму. Проте ця методика простіша і швидша, ніж двохекспозиційна.

2.3 Голографічна інтерферометія за допомогою двох довжин хвиль

На відміну від розглянутих вище дана методика призначена для контролю рельєфу поверхні і точності позиціонування спостережуваних об'єктів. Інтерферограмма тут також двохекспозиційна, проте голограми записуються не в різні моменти часу, а на різних довжинах хвиль л1 і л2, близьких по величині

|л1 - л2| << л1,2 (рис. 2.3, а)

Відновлення інтерферограмм здійснюється на одній з довжин хвиль л1 або л2. В результаті інтерференції двох хвильових фронтів, відновлюваних з двох вказаних голограм, відбувається порівняння фазових рельєфів одного і того ж об'єкту, але взятих в різному масштабі. Відновлене зображення буде покрито системою смуг, що відповідають рельєфу поверхні: центр кожної світлої або темної смуги відповідає точкам, що залягають на однаковій глибині щодо плоского хвильового фронту, освітлюючого об'єкт. Перехід з однієї темної смуги на поряд лежачу означає зсув по глибині об'єкту на величину: