A rács termikus rögzítése (hologram) úgy történik, hogy az elektronok által létrehozott elektrosztatikus térerősség eloszlását a termikus aktiváláson keresztül mozgó ionok mezőjével kompenzáljuk. A kompenzáció után a szobahőmérsékletre visszahűlt anyagban az elektroneloszlás az erős homogén és inkoherens megvilágítás hatására - részben az inhomogenitás amplitúdójának csökkenése, részben a fotovoltaikus hatás miatti fáziseltolódás miatt - megváltozik, így a az új helyzetükbe "befagyott" ionok elektromos tere már túlkompenzálja az elektronteret. Ily módon a keletkező térerősség-eloszlás az eredeti elektronmező "negatív lenyomatává" válik, amely már nem érzékeny a fényre, és sokáig megmarad.
A hőkompenzációt egy erősen redukált, gyakorlatilag OH-mentes LiNbO3 kristályban is kimutatták, ami egyértelműen a Li+ ionoknak tulajdonítható [14-16]. Eredményeim második csoportjában a kéthullámú keveréssel létrejövő fotorefraktív rács termikus rögzítéséért felelős ionok termikus, időbeli viselkedését és aktiválási energiáját határoztam meg kongruens vagy közel sztöchiometrikus lítium-niobát kristályokban, vassal vagy mangánnal adalékolt. , és általában nagyon közel állnak az általam kapott OH sávok termikus relaxációjából számított protonaktivációs energiához.
RÉSZ: ALAPOK ÉS HÁTTÉR
- Fényindukált töltéstranszport folyamatok
- Alapegyenletek
- Az egycentrumos modell
- A kétcentrumos modell
- Ionok termikus aktivációja és a hologram rögzítése
- Alapegyenletek
- Elsőrendű egyenletek
- A csatolt hullámok elmélete
- A kéthullámkeverés
- A négyhullámkeverés
Itt foglalom össze az elektromos töltéshordozók és fotonok kölcsönhatásának elméletét és az elektromos térerősség kialakulásának mechanizmusát. Hacsak nem alkalmazunk különösen nagy külső elektromos teret, a tipikus fotorefrakciós kísérletek során az anyagon belüli elektromos teret csak az Esc határozza meg, ami a töltés újraeloszlása, és az egyéb hozzájárulások elhanyagolhatóak. Az elektromos tér töltésének térerőssége elsősorban azoktól a mikroszkopikus folyamatoktól függ, amelyek a töltések szétválását, gerjesztését, befogását és mozgását szabályozzák.
Hasonló a helyzet abban az esetben is, ha csak a fotovoltaikus hatást vesszük figyelembe, vagyis amikor nem alkalmazunk külső elektromos teret, bár ekkor az elektromos térerősség nem homogén, ezért a nagyobb térfrekvenciájú kifejezések is jelentősek a modulációban. a törésmutatót. Itt érdemes megjegyezni, hogy azoknál az anyagoknál, amelyeknél a rendellenes diszperzió és a belső polarizáció dominál az elektrooptikai hatásban, a törésmutató modulációját nem az elektromos térerősség inhomogenitása, hanem a töltet inhomogenitása okozza. Ezért a fenti okfejtés mindhárom töltés-átrendeződési folyamatra pontosan ellenkező eredményt ad [4].
- A négyhullámkeverés irodalmi háttere
- A termikus hologramrögzítés szakirodalma
- A holografikus szórással kapcsolatos irodalom
Meyer és szerzőtársai kísérleteik alapján megerősítették Amodei és szerzőtársai hipotézisét, miszerint a kompenzáció alapja az ionvándorlás [63], szemben egy másik hipotézissel, amely a ferroelektromos anyag lokális repolarizációját teszi felelőssé. számára ugyanaz [64]. 1996-ban Yariv és szerzőtársai egy rögzített hologramról számoltak be, amelynek élettartama körülbelül két év, egy erősen dehidratált lítium-niobát kristályban [16]. Buse és szerzőtársai makroszkopikus fénymintával (egy- vagy kétdimenziós Gauss-nyaláb) hőfelvételt végeztek különböző hidrogénkoncentrációk mellett [14], S.
1998-ban Arizmendi és szerzőtársai a vassal adalékolt lítium-niobáton vizsgálták a hőrögzítéshez kapcsolódó ion aktiválási energiájának és időállandójának a rácsos periódustól való függését [72]. Nee és szerzőtársai a hologram sötét élettartamát és a vas szerepét vizsgálták nagyon magas vaskoncentrációjú lítium-niobát esetében [75].
- A lítium-niobát
- A kristály szerkezete
- A lítium-niobát makrofizikai állandói
- A négyhullámkeverés és a diffrakciós topográfia
- A kéthullámkeverés és a termikus rögzítés
- A holografikus szórás felhasználása aktivációs energia mérésére
A névlegesen tiszta, konformális és névlegesen tiszta sztöchiometrikus lítium-niobát rendkívüli (nem) és közönséges (nincs) törésmutatója 0,1% vassal vagy mangánnal 22 °C-on. A teljes összeállítást egy RS 4000 rezgéscsillapító optikai tárgyasztalra építettem, amely 4 db Newport típusú I-2000 lamináris légáramlás-szigetelő lábra volt szerelve. A 488 nm hullámhosszú írónyalábokat 3W-os Carl Zeiss típusú ILA 120-1 argonion lézerrel, az olvasósugarat MOM He-Ne 77 típusú hélium-neon gázlézerrel állítottuk elő.
Az összeállítás alapötlete, hogy a feliratos fotorefraktív térrács olyan síkokat képez, amelyekre a Bragg-irány nemcsak a beírt nyalábok síkjában, hanem elvileg létezik. A LiNbO3 esetében azért jó a közelítés, mert - kellően kis szögű rögzítő nyalábok esetén - a kristály magas törésmutatója miatt a nyaláb még kisebb szöggel tér el benne a függőlegestől, ezért a kis gradiens diffrakciós hatásfok eloszlása jól reprodukálható. A berendezés egy RS 4000 rezgéscsillapító optikai asztalra épült, amely a Newport által gyártott 4 db I-2000 típusú lamináris légáramú rezgésszigetelő lábra volt szerelve.
A második módszerre azonban a nagyon kis diffrakciós hatásfok mérésére volt szükség, mivel a lock-in erősítők csak olyan komponenseket tudnak megfelelő pontossággal mérni, amelyek közel azonos nagyságrendűek az egyetlen detektorral mért jelhez képest. A mérések során ellenőriztem két Oriel által gyártott, 76993-as és 76994-es típusú redőnyt is, amelyek közül az egyik megtörte a leolvasó gerendát. A (2.40) egyenlet szerint az állandó hőmérsékleten mért diffrakciós hatásfok függ a törésmutató modulációjától az idő függvényében, ami viszont.
A mérések alapján a diffrakciós hatásfokhoz kapott kétszeres exponenciális csillapításból meghatározható az időállandók hőmérsékletfüggése és az aktiválási energia. Az volt az elképzelésünk, hogy a mechanikai hatásokra oly érzékeny kéthullámú keveréssel létrejövő rács helyett megpróbálhatnánk a holografikus szórás során keletkező parazita hologramokat termikusan rögzíteni, és mérni az ioneltolás időfüggését. A kísérletek során kapott adatok alapján mindkét függvény alkalmasnak bizonyult az aktiválási energia meghatározására, és az eredményekben nem tapasztaltunk szisztematikus eltérést.
RÉSZ: SAJÁT EREDMÉNYEK
- A topografikus összeállítás működőképessége, hasznossága
- Kísérletek hagyományos fényképezőgéppel
- Digitális topografikus fotózás
- A szoliton-eloszlás és tulajdonságai
A négyhullámos keveréssel létrehozott fotorefraktív rács térszerkezete témakörében eredményeim a 4.1. fejezetben leírt négyhullámú keverőszerelvény tervezésén, felépítésén és finomhangolásán alapulnak, a 4.1. és 4.2. . A többi méretéhez képest nagyon hosszú minta lehetővé tette a törésmutató rácsos eloszlását a hossztengely mentén, jó felbontásban. Első kísérleti eredményeimmel a topográfiai rögzítés működőképességét és tudományos hasznosságát kívántam bemutatni, vagyis azt, hogy láthatóvá, mérhetővé és fényképezhetővé tehető két dimenzióban a kettő és négy során kialakult törésmutató rács profilja. . hullámok keverése fotorefraktív anyagban (ábra) [S1] .
Így sikerült jelentősen csökkenteni az emberi jelenlét következményeit, nevezetesen a levegő hőmérséklet- és páratartalom-eloszlásának inhomogenitását és változását. Hagyományos kamerával végzett kísérleteim során finomítottam a négyhullámú keverési és a diffrakciós topográfiai elrendezés beállításait és megoldásait, valamint az 5.2. Az ezen az oldalon látható függőleges piros sáv valószínűleg a holografikus szóródás során keletkezett rácsokon lévő fényszóródás eredménye.
Az első három képen három, a kristály belseje felé behatoló csík is jól látható (a felső halványabb, mint a másik kettő). Látható, hogy egy alig látható tranziens rácskép után a kristály közepén lévő szolitonszerű rácseloszlás szinte azonnal „felemelkedik” végső helyére. A fényképek a következő beállításokkal készültek: fényérzékenység: ISO 100, expozíciós idő: 1s, rekeszérték F2, piros szűrő és élénkpiros kiemelés.
A 15 másodperces írási munkamenetek között lezártam a lézersugarakat, és az optikai asztalra erősített kamerával 2 másodperc késéssel készítettem a képeket, hogy elkerüljem a gombnyomások mechanikai hatását az exponálás során. Az első kép stacionárius egyensúlyt mutat I2 = 0,3 I1 intenzitásaránnyal, a többi kép az időbeli alakulás során készült I1 = I2 esetre. Eredményeim második csoportja annak az elméletileg levezetett állításnak a kísérleti vizsgálatára irányul, amely szerint a négyhullámú keverék.
- A módszer kidolgozása és ellenőrzése
- Összehasonlító vizsgálatok aktivációs energia meghatározására
- A modulációs mélység
- A holografikus rács térfrekvenciája
- A holografikus szórás szögfüggése lítium-niobátban
A holografikus szórással foglalkozó szakirodalmi áttekintésben (3.3. fejezet) szó esett arról, hogy a kéthullámú keveredés döntő szerepet játszik a holografikus szórási folyamat eredetében, ami elmosódott szórási foltot eredményez [93, 94]. A kéthullámú keverés aktiválási energiájának meghatározásának módszeréhez (4.3. fejezet) képest lényegesen egyszerűbb lenne, ha a holografikus szórás fellépése után egy kiválasztott szögben, adott hőmérsékleten mérnénk a szórási intenzitás változását. A későbbiekben látni fogjuk, hogy - bizonyos korlátokkal - a tranziens intenzitás mérése is elegendő az aktiválási energia meghatározásához az előző módszerhez közeli pontossággal.
Átmeneti intenzitásnövekedés - holografikus szóráscsökkenés - az idő függvényében kongruens mangánnal adalékolt lítium-niobátban 70 °C-on. Mobil ionok aktiválási energiájának meghatározása egybevágóan növesztett, mangánnal adalékolt lítium-niobátban holografikus szórás módszerével a (4.1.) (kék, kitöltött négyzetek) és (4.2.) (piros, üres négyzetek) képletek paramétereinek beállításával a legkisebb négyzetek módszerével. Az időállandót a holografikus szórás (HS; .cross), a kéthullámú keverés (TWM; tömör négyzet) és a DC vezetőképesség mérés (DCC; nyitott háromszög) módszerével is meghatároztuk.
A kéthullámú keverési módszernél m akár az 1-et is elérheti, míg a holografikus szórásos módszernél a pumpáló nyaláb intenzitása nagyságrendekkel nagyobb, mint a szórt elemi nyaláboké, tehát ebben az esetben nagyon kis modulációval kell számolnunk. Valójában, mint hamarosan látni fogjuk, általában csak az ennél lényegesen kisebb térbeli frekvenciák dominálnak a holografikus szórás során.). Láttuk, hogy az eltolás időállandója függhet a rács térbeli frekvenciájától, de ahhoz, hogy meghatározzuk, hogy ez milyen hibát okozhat a holografikus szórási módszerben, integrálnunk kell a szórt intenzitást a különböző térbeli frekvenciákhoz.
A holografikus szórási módszerben az átbocsátott sugár intenzitásváltozását valójában az összes szórt fény intenzitásváltozásaként mérik - ellenkező előjellel. A holografikus szórás szögeloszlásának mérésével kapott (fekete) pontok grafikonja (piros szaggatott vonal) és a rájuk illesztett (7.16) tapasztalati képlet (kiegészülve a közeli fényt leíró Gauss-féle kifejezéssel), a függvény függvényében ábrázolva. a térbeli frekvencia. Mindezek alapján láthatjuk, hogy a (7.16) és (7.17) képletek - amellett, hogy kielégítően leírják a holografikus szórás elméletből számított és kísérletekből nyert szögeloszlását - az analitikus matematikai vizsgálathoz is jól használhatók. a holografikus szóródás.
Ehhez elméletileg vagy kísérletileg meg kell határozni az adott anyagra rendkívüli holografikus szórás szögeloszlását. Ha a közelítő feltevések megsértése miatt a holografikus szórási módszertől nem várható el kellő pontosság, kis módosítással mégis alkalmassá tehető az aktiválási energia meghatározására.
Aktivációs energia meghatározásával kísérletileg alátámasztottam azt a feltételezést, hogy a fotorefraktív hologram lítium-niobátban történő hőrögzítéséért az OH– ionokról levált protonok felelősek. A kísérlet során egy közel sztöchiometrikus vagy egybevágó, vassal vagy mangánnal adalékolt lítium-niobát kristályban kéthullámú keveréssel létrehozott holografikus rács termikus relaxációjának időfüggését mértem különböző hőmérsékleteken. A kéthullámú keveréssel írt holografikus rács Bragg-szórása helyett az írás során az intenzív lézersugár által egymást erősítő parazita hologramok által okozott intenzitásveszteséget mérjük - több nagyságrenddel csökkentett intenzitással - függvényként. az idő.
A módszert működőképesnek találtam, és méréseim szerint vassal adalékolt kvázi-sztöchiometrikus és mangánnal adalékolt kvázi-sztöchiometrikus vagy kongruens lítium-niobátban lévő termikusan immobilizált ionok aktiválási energiája megegyezik a protonok aktiválási energiájával és a meghatározott aktiválási energiával. szabványos kéthullámú keverési módszerrel. A vassal adalékolt kongruens minták esetében nagyobb eltérés lépett fel, ami az egyéb lehetséges hibaforrásoktól eltekintve a kéthullámú keverési módszer alkalmazása során fellépő túlzott modulációra vezethető vissza. Megmértem a holografikus fényszórás intenzitásának szögfüggését lítium-niobáton, és a szögeloszlásból számított hullámszám-eloszlásra találtam két könnyen integrálható empirikus függvényt, amelyek kielégítően illeszkednek a Γ erősítési tényező elméleti szögfüggéséből számított függvényhez (erősítés). ).
A függvényeket, mint integrációs súlyfüggvényeket felhasználva soros elemzést végeztem a holografikus szórási módszerrel alkalmazott kétféle időfüggési képlettel számított aktiválási energia értékekre. Megadtam egy explicit egyenlőtlenséget is, amely tartalmazza a két súlyfüggvény egyikére illesztendő paramétereket és a kristály anyagállandóit annak meghatározására, hogy a holografikus szórás módszere alkalmazható-e adott esetben.
Summary
Jelölések
A donor termikus ionizációjának ST valószínűsége egységnyi idő alatt ST0 donor ionizáció valószínűsége pre-exponenciális tényező t idő. A gyors komponens Γf erősítése Γ a lassú komponens erősítése η hatásfok, hatásfok, diffrakciós hatásfok ηˆ inverz relatív dielektromos tenzor.
A fény mint elektromágneses hullám
A.; Kovács, L.; "Holographic scattering as a technique for determining the activation energy for thermal fixation in photorefractive materials", Appl. Polgár, K.; "Activation energy of proton migration in Mn- and Fe-doped lithium niobate obtained by holographic methods", Radiat. Mandula, G.; Péter Á.; Hartmann, E.; "Temperature dependence of refractive indices of bismuth tellurite crystal (Bi2TeO5), Pure Appl.
7] Bugaychuk, S.; Khizhnyak, A.; "Optical control of the four-wave mixing dynamic grating structure in photorefractive media", J. D.; Cronin-Golomb, M.; Bledowski, A.; "Stability analysis and temporal behavior of four-wave mixing in photorefractive crystals", J. 67] Carrascosa, M.; Agulló-López, F.; "Theoretical modeling of the confirmation and development of holographic gratings in LiNbO3", J.
77] Buše, K.; Nee, I.; Müller, M.; Krätzig, E.; "Development of heat-fixed holograms in light-free lithium niobate photorefractive crystals", Opt. M.; Carrascosa, M.; Arizmendi, L.; "Effect of Oxidation State and Hydrogen Concentration on the Lifetime of Thermally Fixed Holograms in LiNbO3:Fe", Phys. 84] Phillips, J.; Amodei, W.; Staebler, D.; "Optical and Holographic Storage Properties of Transition Metal Doped Lithium Niobate", RCA Rev.
97] Zozulya, A.; Anderson, D.; "Spatial structure of light and a nonlinear refractive index generated by fanning out in photorefractive media", Phys. 107] Parshall, E.; Cronin-Golomb, M.; Barakat, R.; "Model of enhanced scattering in photorefractive media: comparison of numerical results and experiment", Opt. Hatano, H.; "Comparison of the lifetime of bicolor holograms of near-stoichiometric lithium niobate and of tantalate crystals", Appl.
