Малокутове розсіювання світла та його застосування при дослідженні зародження і росту спонтанних ґраток у світлочутливих плівках AgCl-Ag

Размещено на http://www.allbest.ru/

ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ім. В.Н. КАРАЗІНА

УДК 535.36 + 539.215

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

МАЛОКУТОВЕ РОЗСІЮВАННЯ СВІТЛА ТА ЙОГО ЗАСТОСУВАННЯ ПРИ ДОСЛІДЖЕННІ ЗАРОДЖЕННЯ І РОСТУ СПОНТАННИХ ҐРАТОК У СВІТЛОЧУТЛИВИХ ПЛІВКАХ AgCl-Ag

01.04.05 - оптика, лазерна фізика

Бондаренко Ольга Володимирівна

Харків - 2004

Дисертацією є рукопис

Роботу виконано в Харківському національному університеті ім. В.Н. Каразіна Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор Милославський Володимир Констянтинович, професор кафедри фізичної оптики Харківського національного університету ім. В.Н. Каразіна

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук, старший науковий співробітник, Савченко Олена Володимирівна, провідний науковий співробітник Фізико-технічного інституту низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України.

доктор фізико-математичних наук, професор, Кац Олександр Володимирович, провідний науковий співробітник Інституту радіофізики і електроники НАН України ім. О.Я. Усікова.

Провідна установа

Інститут фізики НАН України; відділ оптичної квантової електроніки, м. Київ.

Захист відбудеться 18.06. 2004 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.051.03 у Харківському національному університеті ім. В.Н. Каразіна (61077, м. Харків, пл. Свободи, 4, ауд. ім. К.Д. Синельникова).

З дисертацією можна ознайомитись у Центральній науковій бібліотеці Харківського національного університету ім. В.Н. Каразіна за адресою 61077, м. Харків, пл. Свободи, 4.

Автореферат розіслано 17.05.2004 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Пойда В.П.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

спонтанний ґратка випромінювання поляризований

Актуальність теми. У дисертації вивчаються фотоіндуковані квазіперіодичні структури, що складаються зі спонтанних ґраток (СҐ) і виникають у світлочутливих плівках під дією одного лазерного пучка в реальному часі, тобто безпосередньо під час спостереження. Виникнення СҐ пов'язане з розсіюванням світла в плівках, що приводить, за певних умов опромінення, до порушення хвилеводних чи випромінювальних мод, що направляються поверхнею. Інтерференція падаючого монохроматичного пучка з розсіяними модами створює періодичне за інтенсивністю світлове поле, що сприяє масопереносу речовини в плівці і, таким чином, формуванню СҐ.

Фотоперетворення в плівках AgCl-Ag, що мають світлочутливість в реальному часі, під час випромінювання видимого діапазону змінює їх ефективні оптичні константи без зміни фазового складу, що дозволяє віднести їх до нелінійних оптичних середовищ. Крім того, плівки AgCl-Ag чутливі до опромінення червоним світлом, мають низькі пороги формування СҐ, що дає можливість використовувати для проведення експериментів малопотужні газові чи напівпровідникові лазери безперервної дії.

За своєю структурою та зародженням СҐ, які індукуються у світлочутливих плівках, подібні до періодичних структур (ПС), які виникають на поверхні металів і напівпровідників при дії на них потужних імпульсних лазерних пучків. У цьому випадку ПС ростуть на поверхневих поляритонах, які є ТМ-модами. Зазначені періодичні структури відрізняються від СҐ у фотоплівках високими порогами і механізмом їхнього формування (переважно за тепловим механізмом). Крім того, процес виникнення і росту СҐ у світлочутливих плівках є набагато складнішим, тому що в їхньому зародженні можуть брати участь різні ТЕ_m- і ТМ_m- хвилеводні моди, конкуренція яких може привести до формування різних СҐ. У зв'язку з цим виникнення СҐ у світлочутливих плівках вивчено менше, ніж утворення ПС на поверхневих поляритонах.

За деякими ознаками СҐ у світлочутливих плівках подібні до об'ємних шумових ґраток, що індукуються лазерним пучком у фоторефрактивних і рідких кристалах: для об'ємних СҐ характерні низькі пороги зародження, залежність їхньої дифракційної ефективності від поглиненої енергії, наявність ефекту насичення. Однак, вивчення СҐ у світлочутливих плівках є більш простою задачею за рахунок двомірного характеру формування ПС.

Дослідження характеристик і розвитку СҐ у процесі опромінення плівок утруднене тим, що період ґраток, як правило, менше довжини хвилі лазерного пучка, що опромінює. Для виявлення СҐ треба спеціальні дифракційні виміри, пов'язані або зі зміною установки зразків, або із застосуванням пробних пучків від більш короткохвильових лазерів. Для плівок AgCl-Ag такі виміри утруднені, тому що приводять до додаткових фотоперетворювань у зразках. Однак, при виникненні СҐ на екранах, розташованих нормально до лазерного пучка, спостерігається характерне малокутове розсіювання світла (МУР), вид якого залежить від типу СҐ, що розвиваються, і від азимутального розкиду їхніх векторів . Хоча картина МУР подібна до анізотропного розсіювання світла у фоторефрактивних кристалах, однак вид таких картин у хвилеводних плівках у більшості випадків істотно відрізняється від їх виду в кристалах через специфіку хвилеводного поширення розсіяного випромінювання.

Незважаючи на те, що МУР виявлено порівняно ранішє, воно мало використовувалося для дослідження виявлення і розвитку СҐ у світлочутливих плівках. У той же час становить інтерес вивчення МУР при різних кутах падіння і поляризації лазерного випромінювання з метою виявлення різних періодичних структур і дослідження їх просторово-часової нестійкості, вивчення конкуренції різних хвилеводних мод при формуванні СҐ, вивчення можливості формування стійких регулярних структур - гексагонів. Зазначені ефекти мало вивчені, що визначають актуальність теми дисертації.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана на кафедрі фізичної оптики Харківського національного університету ім. В.Н. Каразіна в процесі навчання здобувачки в аспірантурі і відповідно до планів держбюджетних НДР № ДР 0197U002480 і 0100U003280, затверджених постановою Міністерства освіти та науки України.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є встановлення впливу лінійно і циркулярно поляризованого випромінювання на формування СҐ у тонких плівках AgCl-Ag при різних кутах падіння лазерного пучка, з'ясування можливості застосування малокутового розсіювання світла для вивчення зародження та розвитку СҐ, а також експериментальне визначення впливу конкуренції ТЕ₀- і ТМ₀- мод на формування СҐ.

Для досягнення поставленої мети необхідно було:

Дослідити розвиток СҐ у широкому інтервалі кутів падіння циркулярно і Р-поляризованого випромінювання;

Дослідити вплив послідовної дії лінійно і циркулярно поляризованого світла на розвиток СҐ при нормальному падінні лазерного випромінювання на зразок;

Встановити умови, при яких СҐ ростуть одночасно на розсіяних ТЕ- і ТМ-хвилеводних модах при дії Р-поляризованого випромінювання.

Об'єкт дослідження: тонкі світлочутливі композитні плівки AgCl-Ag.

Предмет дослідження: спонтанні ґратки, що виникають при взаємодії світлових пучків із плівками AgCl-Ag.

Методи дослідження. Композитні плівки AgCl-Ag заданої товщини і з заданим фактором заповнення сріблом були отримані на підкладках методом термічного вакуумного напилення. Їх товщини за необхідністю вимірювали інтерференційним методом. Зразки опромінювали незфокусованими та зфокусованими лазерними пучками різної поляризації. Період СҐ, індукованих в зразках, вимірювали дифракційним методом. Картини малокутового розсіювання світла спостерігали візуально та реєстрували фотографічним методом. Аналіз картин малокутового розсіювання світла проводили з використанням полярних діаграм Евальда і рівнянь, що описують ці картини.

Наукова новизна одержаних результатів:

Виявлено умови виникнення випромінювальних мод і мод підкладки в процесі формування спонтанних ґраток у світлочутливих плівках під різними азимутами розсіяного випромінювання. Показана роль малокутового розсіювання світла в ідентифікації різних первинних і вторинних спонтанних ґраток.

Уперше за допомогою малокутового розсіювання світла виявлено формування картин гексагональної симетрії в плівках AgCl-Ag при послідовній дії лінійно і циркулярно поляризованого лазерного пучка при його нормальному падінні на зразки.

За допомогою малокутового розсіювання світла виявлено набір вторинних ґраток при похилому падінні лазерних пучків різної поляризації. Показано істотну роль вироджених С-ґраток у їхньому формуванні.

Уперше виявлено та обчислено ряд "магічних" кутів падіння (цей термін запропонували Siegman A.E., Fauchet P.M., 1986) індукуючого пучка, при яких виникає підсилення росту різних первинних і вторинних спонтанних ґраток за рахунок виникнення подвійних аномалій Вуда.

Вперше в плівках AgCl-Ag виявлені картини гексагональної симетрії з малими векторами, що формуються в малому інтервалі кутів падіння Р-поляризованого пучка в умовах конкуренції ТЕ₀- і ТМ₀-хвилеводних мод.

Практичне значення отриманих результатів. Показана можливість створення своєрідного разщеплювача падаючого пучка на шість ортогональних йому лазерних пучків за допомогою картин гексагональної симетрії, отриманих при опроміненні одномодових плівок AgCl-Ag, осаджених на круглу підкладку з відполірованим торцем. У роботі також разроблено метод виконання вимірів показників заломлення різноманітних ізотропних і анізотропних діелектричних зразків у широкому інтервалі значень на плоских та циліндричних поверхнях із площею, обумовленою перетином індукуючого гаусового лазерного пучка.

Особистий внесок здобувача. Авторка дисертації виконала всі експериментальні дослідження, викладені в опублікованих у співавторстві наукових працях і в оригінальній частині дисертації: вона виготовила плівки методом термічного вакуумного напилювання, виміряла їхні товщини, провела експонування плівок світлом у різних схемах, виконала дифрактометричні виміри, фотографічну реєстрацію картин малокутового розсіювання світла.

Авторка брала участь в обговоренні та інтерпретації результатів, обробляла експериментальні дані, готувала ілюстративний і графічний матеріал для публікацій, виконувала теоретичні розрахунки.

Апробація результатів дисертації. Результати роботи доповідалися й обговорювалися на семінарах кафедри фізичної оптики ХНУ ім. В.Н. Каразіна, а також на таких наукових конференціях: 5-а міжнародна конференція ”Фізичні явища у твердих тілах” (Харьків, 2001); 2^nd International Young Scientists` Conference on Applied Physics (Kiev, 2002); 1-а Українська наукова конференція з фізики напівпровідників (Одеса, 2002); 3<sup>d</sup> International young scientists conference ”Problems of optics and high technology material science” (Kiev, 2002); Міжнародний науково-практичний симпозіум ”Функціональні покриття на стеклах” (Харьків, 2003); LFNM`2003 5^th International Workshop on Laser and Fiber-Оptical Networks Modeling (Alushta, Crimea, Ukraine, 2003).

Публікації. Результати дисертації опубліковані в 11 наукових публікаціях. Серед них: 5 статей опубліковані у фахових журналах, 3 статті в збірниках наукових праць та 3 у вигляді тез доповідей на наукових конференціях.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, 5 розділів, висновків, списку використаних джерел з 145 найменувань. Робота містить 142 сторінки і 8 рисунків на 7 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У Вступі наведено обґрунтування актуальності теми дисертації та вказано на її зв'язок з науковими держбюджетними програмами, сформульовані мета і задачі дослідження, наукова новизна і практична цінність результатів, викладені основні наукові результати роботи.

У першому розділі дисертації ”Періодичні структури і їхнє формування на поверхні твердих тіл і у світлочутливих шарах” поданий літературний огляд експериментальних результатів щодо утворення періодичних структур на поверхні конденсованих середовищ, відзначені характерні риси цього явища. Проаналізовані роботи, які присвячені фотоструктурним перетворенням у світлочутливих плівках AgHal - Ag, були опубліковані переважно співробітниками кафедри фізичної оптики ХНУ, де виконувалася представлена дисертаційна робота.

У другому розділі дисертації ”Метод виготовлення світлочутливих плівок і способи спостереження еволюції спонтанних ґраток” подано обґрунтування вибору матеріалу зразків для дослідження спонтанних ґраток і розглянуто механізм їхнього формування у світлочутливих плівках. Наведені експериментальні методики виготовлення тонких світлочутливих плівок, одержання і дослідження СҐ, зокрема, спостереження картин малокутового розсіювання світла (МУР) від різних ґраток, що формуються в плівках.

Третій розділ дисертації ”Малокутове розсіювання світла в плівках AgCl - Ag і його використання для аналізу квазіперіодичних структур” присвячений результатам досліджень картин МУР та їх особливостей при опроміненні тонких світлочутливих плівок AgCl - Ag похило падаючим циркулярно і Р-поляризованим лазерним пучком (як сфокусованим пучком (F = 9.5см), так і за відсутності фокусування). Розглянута можливість виявлення і дослідження СҐ, що індукуються у плівці, за допомогою картин МУР.

Падаючий на фотошар AgCl-Ag лазерний пучок індукує у плівці плоску квазіперіодичну структуру, яка є набором плоских мікроґраток. При виникненні СҐ падаюче випромінювання дифрагує на них і тангенціальна компонента хвильового вектора дифрагованої хвилі дорівнює

(1)

де m = 0, 1, 2...- порядок дифракції; k_x = (2/) sin = k₀sin; - вектор плоскої СҐ; = (, y) - азимут розсіяної моди (вісь y перпендикулярна площини падіння). Оскільки період ґраток, як правило, менше , то актуальні порядки m = 1. З (1) випливає, що при m = 1 падаюча хвиля дифрагує у ТЕ- чи ТМ-моду (аномалія Вуда) з вектором , що сприяє росту СҐ за рахунок позитивного зворотного зв'язку. Однак, при m = 1 у загальному випадку . При = 0 СҐ ростуть за рахунок подвійної аномалії Вуда при будь-яких . Однак існують С-ґратки ( ), що формуються модами під азимутом _с = arcsin (k_x/ ) і зростають за рахунок подвійної аномалії Вуда при 0.

Дифракція в підкладку та у навколишній простір (повітря) при опроміненні зразків спостерігається при k_d n_sk₀, k_d k₀. Умова k_d = n_sk₀ визначає граничний азимут , при якому виникає дифракція в m = -1 порядок у підкладку в вигляді ковзної (Релеєвської) хвилі:

(2)

де n_eff = / k₀ - ефективний показник заломлення моди. При =1 у (2) маємо відповідне значення при виході дифрагованих хвиль у повітря. Для СҐ, що ростуть при та - вихід дифрагованих хвиль у підкладку (повітря) відсутнє. Навпаки, для СҐ, що ростуть під азимутами - дифракція в навколишнє середовище можливо. Найбільш сприятливий вихід дифракційних рефлексів m = -1 для S_-ґраток ( = /2, ). Як випливає з (2), вихід дифракційних рефлексів у повітря буде мати місце при = 0.5 (n_eff 1) (для n_eff = 1.515 = 1634). При дифракція в повітря від будь-яких СҐ відсутнє. Проте, на екранах поставлених нормально до падаючого (відбитого) пучка при будь-яких спостерігаються характерні картини МУР, вид яких залежить від типу ґраток, що формуються. Поява картин МУР пов'язана з існуванням домінантних СҐ, що мають найбільшу дифракційну ефективність і займають найбільшу площу на плямі, що опромінюється. Якщо вектор домінантних ґраток , то дифракція (m = 1) на цих ґратках вводить домінантну моду з хвильовим вектором . У свою чергу, домінантна мода, поширюючись на сусідні ґратки з , але близьких до , дифрагує на них. Як результат з'являються випромінювальні моди з тангенціальним компонентом хвильового вектора

(3)

Іншою причиною появи МУР є дифракція розсіяних у фотошарі хвилеводних мод на домінантних СҐ. При цьому

(4)

Сукупність випромінювальних мод на екранах дає картини МУР, що дозволяють виявити СҐ, що не виявляються в звичайній дифракції.

Експеримент був проведений на тонких плівках AgClAg, осаджених на скляні підкладки у вакуумі, товщина яких була небагато менше від товщини відсічення хвилеводної ТЕ₀-моди. У цьому випадку СҐ формуються на граничній ТЕ-моді підкладки з сталою поширення = k₀n_s, що одночасно є граничною ТЕ₀-хвилевідною модою. У протилежному випадку існує розкид ефективного показника заломлення ТЕ₀-моди за величиною і його залежність від часу експозиції, що приводить до небажаного розмиття дифракційних рефлексів від СҐ і картин МУР. Плівки опромінювалися одномодовим He-Ne лазером ( = 632.8 нм, Р = 5 8 мВт). Дослідження часової і просторової еволюції картин МУР дало такі результати: ПС, індуковані одним лазерним пучком у хвилеводних плівках AgCl-Ag, приводять до виникнення картин МУР, вид яких залежить від кута падіння і поляризації лазерного пучка. Експеримент і його порівняння з результатами розрахунків і аналізу за допомогою полярних діаграм показують, що при дії циркулярно і Р- поляризованого світла при похилому падінні в інтервалі кутів 4 - 45 основний внесок у МУР вносить дифракція ТЕ₀-мод від домінантних С-ґраток на сусідніх СҐ із векторами .

Циркулярно поляризований пучок на відміну від Р-поляризованого формує більш складні картини МУР через виникнення нерегулярних S_-СҐ. Результатом взаємодії випромінювальних мод, породжених С- і S_-ґратками з падаючим пучком є виникнення регулярних вторинних ґраток і пов'язаних з ними випромінювальних мод. Дифракція від вторинних ґраток виявляється на екрані у виді яскравих точкових рефлексів на перетині дуг МУР від С-ґраток (формула 3, m = 1, m = -1) і розтягнутих рефлексів (m = -1) від S_-подібних ґраток (S₁- і S₂-ґратки відповідно).

Їхні вектори дорівнюють

S₁- і S₂-ґратки було виявлено раніше при уведенні лазерного пучка крізь призму [Агэєв Л.А. та ін., 1991.]. Крім того, за картиною МУР виявлені регулярні S₃ - ґратки, що ростуть під азимутом (2).

У ході експерименту було виявлено набір ”магічних” кутів падіння, при яких виникає підсилення СҐ за рахунок подвійних аномалій Вуда, підсилення вторинних ґраток за рахунок їхнього злиття.

Для динамічних ґраток можливі кути, при яких виникає підсилення в розвитку тих чи інших спонтанних ґраток в процесі опромінення. Прикладом служить кут ₁ = arcsin (n_eff / 3), при якому росте домінантна S_-ґратка на хвилеводній моді з = 3k_x. Дифракція на S_-ґратках вводить випромінювальну моду з k_d = - k_x. Інтерференція падаючого випромінювання з цією модою породжує так названу "надґратку" з вектором , існування якої було виявлено в плівках AgCl-Ag при дії циркулярно поляризованого лазерного пучка. У свою чергу дифракція на В-ґратках знову вводить при m = -1 хвилеводну моду з = 3k_x, що сприяє більшому зростанню S_-ґраток, чим при інших кутах падіння. Крім того, при куті падіння ₁ виникає посилення S_-ґраток за рахунок злиття S_ і S₁ ґраток. Виявлений ”магічний” кут падіння

,

при якому виникає злиття S₂ і S₃ вторинних ґраток. Опромінення зразків при куті падіння ₃ = arcsin(n_eff /) приводить до самопідсилення S₂ ґраток.

З приводу цих ґраток зробимо такі зауваження. Через ріст на подвійних аномаліях Вуда найбільш домінантними є С-ґратки. S₊- і S_- ґратки ростуть при усіх . Косі S₃- ґратки, вочевидь, виникають при , S₂-ґратки при ₂ . Слабкі косі S₁-ґратки зливаються в домінантну S_-ґратку при ”магічному” куті ₁. S₁-ґратки найбільш домінантні при = ₃, при кутах падіння ₃ виникають паркетні ґратки, що конкурують із С-ґратками.

Таким чином, дослідження картини МУР при різних дозволяє одержати інформацію про виникнення і розвиток різних СҐ у світлочутливих плівках, виявити нові ґратки, не залучаючи додаткові складні дифракційні виміри, а також простежити за їх розвитком у процесі опромінення лазерним пучком. Так, на підставі аналізу картин, отриманих при ”магічних” кутах ₁ і ₃ при дії циркулярно поляризованого світла, можна зробити висновок про формування і ріст різних первинних і вторинних ґраток.

У четвертому розділі дисертації ”Формування гексагонів у світлочутливих плівках AgCl - Ag” наведені результати досліджень двох випадків формування картин гексагональної симетрії. Перший з них відповідає ситуації, коли картини гексагональної симетрії формуються в одномодових світлочутливих плівках при нормальному падінні лазерного пучка; другий визначає умови формування гексагонів при похилому падінні лазерного пучка на двухмодові світлочутливі плівки.

З результатів експерименту випливає, що у випадку одномодової плівки послідовне опромінення фоточутливих плівок AgCl-Ag лінійно- поляризованим лазерним світлом (ЛПС) і циркулярно - поляризованим лазерним світлом (ЦПС) приводить до формування в плівці гексагонів, що складаються із шести мікроґраток, вектора яких орієнтовані під 60. Гексагони в тонких плівках AgCl-Ag мають великі поперечні вектори ґраток, обумовлені за величиною постійними поширення ТЕ-мод. Розвиток гексагонів у часі спостерігається за видом картин МУР.

Виявлено, що в однакових умовах експерименту існують дві альтернативні ситуації розвитку гексагонів: або з утворенням стабільних гексагонів, або з їх руйнуванням. Спостереження еволюції картин МУР на різних ділянках зразка показує, що поява стійких чи нестійких гексагонів не залежить від знака ЦПС. Встановлено, що при дії циркулярно поляризованого світла тимчасова еволюція гексагонів залежить від знака циркулярної поляризації, що визначається розходженням індикатрис розсіювання на поглинаючих анізотропних центрах для світла, поляризованого по правому і лівому колу.

Спонтанні ґратки зароджуються через інтерференцію падаючої хвилі з розсіяними в плівці хвилеводними ТЕ - модами. Штрихи найбільш ймовірних мікроґраток складаються з ланцюжків близько розташованих гранул Ag, сфероїдів та ін. анізометричних часток, витягнутих уздовж вектора поляризації падаючого випромінювання . Якщо розміри часток істотно менше , їх можна вважати анізотропними диполями з компонентами поляризуємості і . При дії ЦПС на плівку AgCl-Ag, попередньо опромінену ЛПС, видність інтерференційної картини при А_ТЕ А₀ дорівнює

(5)

де tg - еліптичність; = /2 - кут між віссю y і площиною розсіювання ( - азимут розсіювання моди); А_ТЕ - амплітуда ТЕ-моди

(6)

де = . При дії ЛПС ( = 0) V() sin² , що визначає переважний ріст СҐ із x. При дії ЦПС ( = /4) залежність у другому співмножнику (5) зникає й екстремальні значення V() визначаються А_ТЕ () і досягаються, як випливає з (6) при

 0 (7)

Знаки ”-” і ”+” у першому доданку відповідають світлу, поляризованому по правому і лівому колу, відповідно. Доданкам /2 відповідають максимуми V(), нулю - мінімуми. З (6) видно, що відмінність * від /2 має місце тільки для анізотропних поглинаючих часток. Відмінністю * від /2 і залежністю * від знака ЦПС можна пояснити розходження картин МУР на початкових стадіях опромінення ліво - і право ЦПС. Оцінки першого доданка в (7) показують, однак, що відхилення * від /2 не перевищує 10- 20. У той же час, нові СҐ формуються під азимутом = /3 відносно початкових, що не відповідає максимумам видності інтерференції.

Причиною появи домінантних ґраток при = /3 є істотне розсіювання ТЕ мод при = /6 при ЦПС і двомірна дифракція Брегга. Якщо в плівці збуджуються ТЕ-моди під різним азимутом (тут = ( )) і дифрагуют на домінантних ґратках з вектором x, то при значному відхиленні від 0, як випливає з (4), при = /3 і m = -1 k_r = , тобто має місце двомірна дифракція Брегга. Хвилеводні моди, збуджені під не тільки сприяють росту вихідних ґраток, але також за рахунок відсутності витоку приводять до формування нових мікроґраток на ТЕ-моді з вектором , орієнтованим під к . У свою чергу, СҐ із векторами = сприяє росту за рахунок дифракції Брегга нових ґраток з векторами . У підсумку утворюється гексагон. При формуванні гексагонів на одній і тій же моді ( = k₀ n_s) гексагони повинні бути стійким через взаємозв'язок ТЕ мод на ґратках, з векторами , орієнтованими під кутом 60 один до одного. Причиною розпаду гексагонів може бути взаємодія мод з іншими постійними поширення ( ) з вихідної СҐ із вектором . Гексагони не формуються також при невеликому відхиленні від нормалі, тому що в цьому випадку домінантні ґратки мають вектор . Такий тип гексагонів можна застосувати як своєрідний разщеплювач падаючого пучка на шість ортогональних йому лазерних пучків, якщо плівку AgCl-Ag напилити на круглу підкладку з відполірованим торцем. У цьому випадку гексагони формують шість лазерних пучків, що поширюються нормально до падаючого пучка.

У випадку двухмодової плівки можливість формування картини гексагональної симетрії з малими хвильовими векторами була виявлена в ході дослідження умов формування СҐ у плівках AgCl-Ag при похилому падінні зфокусованого лазерного випромінювання. При дії Р-поляризованого пучка на підставі індикатрис розсіювання в ТЕ₀- і ТМ₀- моди виявлені оптимальні умови формування СҐ при значній конкуренції мод двох типів. Встановлено, що товщина плівки повинна бути близька до товщини відсічення ТМ₀- моди ( = 94.5 нм), а кути падіння до 50. Для експерименту використовувалися плівки AgCl-Ag з різним середнім фактором заповнення плівки сріблом q = h_Ag / h_AgCl = 0.060.13. Гексагони досліджувалися за допомогою картин малокутового розсіювання.

Виявлено, що конкуренція ТМ₀- і ТЕ₀-мод приводить до більш складних картин МУР, ніж при конкуренції мод одного типу. Дослідження еволюції картин МУР при = 4840 і q = 0.06 дало такі результати: спочатку опромінення зароджується горизонтальна дуга, пов'язана з ростом S_-подібних ґраток на розсіяних ТМ₀-модах; потім з'являються вертикальні дуги, частина з яких виникає за рахунок дифракції домінантних мод, що генеруються на - і -ґратках, на сусідніх СҐ, сформованих на ортогональних модах. При дослідженні картин МУР у місці відбитого лазерного пучка виявлені яскраві точкові рефлекси (рис. 4), що виникають на перетині різних вертикальних дуг. Кутове положення рефлексів указує на утворення гексагона, а їхня близькість до відбитого пучка - на формування ґраток з малими векторами . За дифракційними вимірами період ґраток у гексагоні d = 6.5 мкм. Розрахунок при відомих індексах мод = 1.515 і = 1.60 вказує на те, що у хвилеводних плівках AgCl-Ag гексагони формуються у вузькому діапазоні кутів падіння відносно = 4820. Однак, при великих q 0.1 гексагони не утворюються. Замість них, у відбитому пучку спостерігається сукупність кривих, що перетинаються в центрі перетинання відбитого пучка з екраном, і за формою нагадує ”метелика”

Картина МУР у зустрічному пучку була подібна до тієї, при якій формуються гексагони; відмінність полягала у відсутності вертикальних дуг на кінцевих стадіях опромінення. З цих даних за картини МУР у зустрічних пучках можна зробити висновок про відсутність конкуренції ТЕ₀ і ТМ₀ - мод при формуванні і росту СҐ.

Більш того, наявність горизонтальної дуги, як і колись, є результатом виникнення в Р-поляризованому пучку ТМ₀-ґраток. У той же час С-ґратки на ТЕ₀-модах не утворюються. Відсутність С - ТЕ₀ ґраток перешкоджає формуванню гексагонів у зазначеному інтервалі . Було встановлено, що формування ґраток ТЕ₀ -типу залежить від величини фактора заповнення композитної плівки гранулами срібла q, картини типу ”метелика” формується в зразках з великим значенням q (q 0.15).

У п'ятому розділі дисертації ”Використання світлочутливих плівок AgCl - Ag для виміру показників заломлення діелектричних підкладок” розглянута методика вимірів показника заломлення n_s діелектричних зразків за допомогою спонтанних ґраток, що розвиваються у світлочутливій тонкій плівці, нанесеної у вакуумі на зразок, під дією S-поляризованого лазерного пучка. Встановлено, що при спеціальному виборі товщини плівки величина n_s визначається за дифракційниим вимірами періоду спонтанних ґраток з помилкою n_s =  0.002. Метод дозволяє вимірювати n_s ізотропних і анізотропних зразків в інтервалі 1.3--2.5 на плоских і циліндричних поверхнях із площею, обумовленою перетином лазерного пучка, що індукує СҐ.

Для вимірів n_s варто правильно вибрати товщину фотошара AgCl-Ag (n_f = 2.06). При h ( -товщина відсічення ТЕ₀-моди) СҐ формуються на граничній моді підкладки, тобто період СҐ не залежить від показника заломлення фотошару. Відомо також, що й у не хвилеводному випадку, коли n_f n_s, також утворюються СҐ на граничній моді підкладки, якщо товщина плівки менше подвоєної глибини проникнення поля моди в плівку

.

Розраховані залежності і від n_s показують, що для вимірів n_s, починаючи від мінімального значення n_s = 1.3, потрібно використовувати плівку з h = 30 нм

У роботі для вимірів були використані СҐ, що утворюються при похилому падінні S-поляризованого лазерного пучка. Для вимірів становлять інтерес S_-ґратки з періодом , що росте з ростом кута падіння . З умови дифракції випливає, що S_-ґратки дадуть вихід пучка дифракції "-1" порядку в повітря за умови ). Для n_s 2.5 48, звідки випливає, що для вимірів великих n_s потрібно формувати S_-ґратки при кутах падіння 50. Для виміру n_s необхідно одержати S_-ґратки при заданому куті падіння і потім вимірити кут дифракції _d, що зручніше за все знайти в умові автоколімації , тоді . Якщо СҐ формуються при куті , що збігається з кутом автоколімації , то , звідки при реальному значенні 70 випливає верхня межа вимірюваних n_s 2.8. Були виконані виміри n_s плоскопаралельної скляної пластини; на бічних поверхнях скляного і рубінового циліндричних стрижнів діаметром 10 мм і на поверхні кристала LiNbО₃ з віссю , рівнобіжної поверхні. При формуванні СҐ на циліндричних поверхнях вектор поляризації повинний бути перпендикулярний осі циліндра.

Плівки AgCl-Ag реверсивні. При початковій експозиції спостерігається еволюція дифракційного рефлексу, що приводить до утворення рефлексу з мінімальною шириною.

Саме за цим рефлексом варто вимірювати кут дифракції. Якщо первинний рефлекс установити в положення автоколімації і продовжувати експозицію, то відбувається поступова перебудова СҐ з утворенням нового рефлексу, кутове положення якого ближче до кута автоколімації. Ці зміни можна використовувати для знаходження кута падіння, що збігається з кутом автоколімації та визначити n_s за формулою . Встановлено також, що виміри на циліндричних поверхнях можливі у випадку, коли площина падіння лазерного пучка збігається з площиною, у якій лежать радіус кривизни і твірна циліндра.

Для анізотропного рубінового стрижня запропонований метод дозволив не тільки вимірити n_s, але і визначити орієнтацію оптичної вісі. У випадку кристала LiNbО₃ показано, що n_s залежить від кута між оптичною віссю і проекцією хвильового вектора падаючої хвилі на площину зразка, що дозволяє вимірювати азимутальну залежність показника заломлення незвичайної хвилі.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі вирішено поставлену задачу щодо з'ясування впливу конкуренції ТЕ₀- і ТМ₀-мод та лінійно і циркулярно поляризованого випромінювання на формування спонтанних ґраток у плівках AgCl-Ag при різних кутах падіння лазерного пучка, а також застосування картин малокутового розсіювання світла для виявлення, дослідження й аналізу спонтанних ґраток, що індукуються у тонких світлочутливих плівках AgCl-Ag. Основними науковими та практичними результатами роботи є такі:

Проведено аналіз дифракції в навколишні середовища (зокрема: підкладка, повітря) від спонтанних ґраток, сформованих на розсіяних хвилеводних модах. Показано, що для виявлення спонтанних ґраток, які не спостерігаються при звичайній дифракції, можна використовувати малокутове розсіювання світла, що виникає при дифракції хвилеводних мод, збуджених на домінантних ґратках, на сусідніх мікроґратках з меншою дифракційною ефективністю.

За допомогою картин малокутового розсіювання світла виявлено формування регулярних вторинних структур (S₁, S₂ і S₃ - ґратки), що виникають у широкому інтервалі кутів падіння, і їхній вплив як домінантних ґраток на вид картин малокутового розсіювання світла.

Виявлено набір ”магічних” кутів падіння, при яких виникає підсилення спонтанних ґраток за рахунок подвійних аномалій Вуда, підсилення вторинних ґраток за рахунок їхнього взаємного перенакладання. Показано, що величина ”магічних” кутів залежить від ефективного показника заломлення хвилеводної моди.

За допомогою картин малокутового розсіювання світла виявлено, що послідовна дія лінійно і циркулярно поляризованих нормально падаючих лазерних пучків на плівки AgCl-Ag приводить до утворення картин гексагональної симетрії. Встановлено, що причиною виникнення гексагонів є двомірна дифракція Брегга на вихідних ґратках.

Виявлено новий вид світлової картини гексагональної симетрії при дії Р-поляризованого випромінювання, пов'язаний з конкуренцією хвилеводних ТЕ₀- і ТМ₀-мод при формуванні СҐ у порівняно вузькому інтервалі кутів падіння.

Розроблено метод визначення показника заломлення діелектричних підкладок за допомогою спонтанних ґраток, сформованих на граничних ТЕ-модах підкладки. Метод дозволяє визначати значення показника заломлення прозорих і слабкопоглинаючих зразків у широкому інтервалі значень (приблизно 1.3-2.5 ) на плоских і циліндричних поверхнях із площею, обумовленою перетином індукуючого гаусового лазерного пучка.

ПЕРЕЛІК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗДОБУВАЧА ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Определение показателя преломления диэлектриков с помощью светоиндуцированных дифракционных решеток /Л.А. Агеев, В.К. Милославский, О.В. Тютюнник (Бондаренко), Х.И. Эльашхаб/ Журнал прикладной спектроскопии. - 2000. - Т. 68, № 2. - С. 270-274.

Милославский В.К., Тютюнник (Бондаренко) О.В., Агеев Л.А. Пространственно- временная неустойчивость и гексагоны в светочувствительных пленках // Вестник ХНУ. - 2001. - №516, серія "Фізика", вип.5. - С. 55-61.

Милославский В.К., Тютюнник (Бондаренко) О.В., Агеев Л.А. Особенности малоуглового рассеяния от спонтанных решеток, сформированных в волноводных пленках под действием циркулярно поляризованного излучения // Вестник ХНУ. - 2002. - №558, серія "Фізика", вип.6. - С. 54-61.

Милославский В.К., Тютюнник (Бондаренко) О.В., Агеев Л.А. Малоугловое рассеяние при формировании периодических структур в светочувствительных пленках при действии лазерного излучения // Оптика и спектроскопия. - 2003. - Т.94, №6. - С.1007-1014.

Miloslavsky V.K., Bondarenko О.V., Ageev L.A. Сompetition of ТЕ and ТМwaveguide modes in formation of spontaneous gratings and hexagons in the AgCl-Ag films by P-polarized laser beam // Optics Communications. 2003. Vol.228 P.365-372.

Милославский В.К., Агеев Л.А., Тютюнник (Бондаренко) О.В. Особенности формирования гексагонов в светочувствительных волноводных пленках // Материалы 5-ой Международной конференции "Физические явления в твердых телах". - Харьков. - 2001. - С.19.

Tjutjunnik (Bondarenko) О.V., Ageev L.A., Miloslavsky V.K. Detrmination of the refractive index of dielectrics by means of spontaneous gratings // Proceedings of 2^nd International Young Scientists` Conference on Applied Physics. - Kiev (Ukraine). - 2002. - P.105-107.

Милославский В.К., Тютюнник (Бондаренко) О.В., Агеев Л.А. Малоугловое рассеяние света при формировании периодических структур в светочувствительных пленках // Тези доповідей 1-ої Української наукової конференціі з фізики напівпровідників. - Одеса (Україна). - 2002. - С. 96.

Miloslavsky V.K., Tjutjunnik (Bondarenko) О.V., Ageev L.A. The small-angle diffraction and its using for discovery and asudy of spontaneous gratings in wavegiude lightsensitive films // Scientific works of 3^d International young scientists conference ”Problems of optics and high technology material science. -Kiev (Ukraine). - 2002. - P. 112.

Милославский В.К., Бондаренко О.В., Агеев Л.А. Наблюдение гексагона при формировании спонтанных решеток в тонких пленках AgCl-Ag при конкуренции ТЕ- и ТМ-мод // Сборник докладов международного научно-практического симпозиума ”Функциональные покрытия на стеклах”. - Харьков (Украина). - 2003. - С. 197-202.

Miloslavsky V.К., Bondarenko О.V., Аgeev L.А. Formation of the patterns of hexagonal symmetry in thin photosensitive films // Proceedings LFNM`2003 5^th International Workshop on Laser and Fiber-optical Networks Modelling. - Alushta, Crimea (Ukraine). - 2003. - P. 109-112.

АНОТАЦІЯ

Бондаренко О. В. Малокутове розсіювання світла та його застосування при дослідженні зародження і росту спонтанних ґраток у світлочутливих плівках AgCl-Ag. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.05 - оптика, лазерна фізика. - Харківський національний університет ім. В.Н. Каразіна, Харків, 2003.

В дисертації досліджені спонтанні ґратки (СҐ), індуковані у світлочутливих плівках AgCl-Ag лазерним випромінюванням різної поляризації і при різних кутах падіння за допомогою картин малокутового розсіювання світла. Показано можливість використання картин малокутового розсіювання світла для виявлення та ідентифікації СҐ, що не спостерігаються за допомогою дифракції. Виявлено набір ”магічних” кутів падіння, при яких виникає підсилення в розвитку тих чи інших СҐ у процесі опромінення. Встановлено, що причиною підсилення СҐ є подвійна аномалія Вуда, а також взаємне перенакладання ґраток (що характерно для ”косих” ґраток). Наведені результати виявлення утворення картин гексагональної симетрії в одномодових плівках AgCl-Ag при їхньому послідовному опроміненні лінійно і циркулярно поляризованими нормально падаючими лазерними пучками. При дії Р-поляризованого випромінювання на двухмодову плівку AgCl-Ag виявлено новий вид світлової картини гексагональної симетрії, пов'язаний з конкуренцією хвилеводних ТЕ₀- і ТМ₀-мод при формуванні СҐ у порівняно вузькому інтервалі кутів падіння. Встановлена можливість за допомогою СҐ визначення значення показника заломлення прозорих і слабкопоглинаючих діелектричних зразків на плоских і циліндричних поверхнях із площею, обумовленою перетином гаусового лазерного пучка.

Ключові слова: світлочутливі плівки, хвилеводні моди, спонтанні ґратки, малокутове розсіювання світла.

ABSTRACT

Bondarenko О. V. Small-angle scattering and it`s using for investigation of origin and development of spontaneous gratings in the lightsensitive AgCl-Ag films. - Manuskript. Thesis for a candidate`s degree in physics and mathematics sciences by speciality 01.04.05 - optics, laser physics, V.N. Karazin Kharkov National University, Kharkov, 2003.

The thesis is devoted to investigation of spontaneous gratings induced in lightsensitive AgCl-Ag films by laser irradiation with different polarization and different incident angles. These spontaneous gratings was investigate by means of patterns of small-angle scattering. It was shown the possibility of small-angle scattering pattern for finding and identification of spontaneous gratings that not observed in normal diffraction. It was found a set of ”magic” incident angles at which amplification in evolution one or another of spontaneous gratings during irradiation are appeared. It was demonstrated that reason of amplification of spontaneous gratings due to double Wood`s anomaly and mutual superposition of gratings (typical for ”oblique” gratings). The results of finding of the pattern of hexagonal symmetry in single-mode AgCl-Ag films under the successive action of linear and circularly polarized laser beam at normal incidence are reported. New type of light pattern of hexagonal symmetry was found under the action P-polarized irradiation on dual-mode AgCl-Ag film. The appearance of hexagons is connected with competition of ТЕ₀- and ТМ₀- waveguide modes during spontaneous gratings formation in narrow interval of incidence angles. The possibilities of measurements of the refractive index transparent and weakly absorbent dielectric simples by means of spontaneous gratings are considered. The method allows to measure of refractive index of plane and cylindrical surfaces with the area determined by profile of Gausses laser beam.

Keywords: lightsensitive films, waveguide modes, spontaneouse gratings, small-angle scattering of light.

АННОТАЦИЯ

Бондаренко О. В. Малоугловое рассеяние света и его применение при исследовании зарождения и роста спонтанных решеток в светочувствительных пленках AgCl-Ag. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.05 - оптика, лазерная физика. - Харьковский национальный университет им. В.Н. Каразина, Харьков, 2003.

В диссертации исследованы спонтанные решетки (СР), индуцированные в светочувствительных пленках AgCl-Ag лазерным излучением различной поляризации и при различных углах падения с помощью картин малоуглового рассеяния света. Приведен анализ дифракции в окружающее пространство от спонтанных решеток и было показано, что из-за зависимости периода решеток от азимута рассеяния волноводных мод СР можно разделить на два типа: 1) решетки, дифракция от которых можно наблюдать в определенном интервале углов падения без изменения положения образцов в процессе облучения и 2) решетки, к которым принадлежат С , Р и S₊ решетки, дифракцию от которых наблюдать нельзя. Для последнего случая рассмотрена возможность использования малоуглового рассеяния света, возникающего при дифракции волноводных мод, возбужденных на доминантных решетках, обладающих наибольшей дифракционной эффективностью и занимающих наибольшую площадь на облучаемом пятне на соседних микрорешетках с меньшей дифракционной эффективностью. На основании эксперимента и его сравнения с результатами расчетов было показано, что при действии циркулярно и Р-поляризованного света при наклонном падении в интервале углов падения = 445 основной вклад в картину малоуглового рассеяния света вносит дифракция ТЕ₀-мод от доминантных С-решеток на соседних СР с векторами . Была обнаружена при сравнительно малых 1 циркулярно поляризованного лазерного пучка резкая перестройка картин малоуглового рассеяния света по сравнению с таковой при нормальном падении, что связано с возникновением вырожденных С-решеток, растущих на двойных аномалиях Вуда. По картинам малоуглового рассеяния света было обнаружено формирование регулярных вторичных структур, возникающих в широком интервале углов падения; было показано их влияние на детали картины малоуглового рассеяния света в качестве доминантных решеток.

Экспериментально обнаружен набор ”магических” углов падения, при которых возникает усиление в развитии тех или иных СР в процессе облучения. Установлено, что причиной усиления СР является двойная аномалия Вуда, а также взаимное переналожение решеток (что характерно для ”косых” решеток). Было показана зависимость величины ”магических” углов падения от эффективного показателя волноводной моды.

Обнаружено, что последовательное действие линейно поляризованного и циркулярно поляризованного нормально падающего лазерного пучка на одномодовые пленки приводит к образованию картин гексагональной симметрии, что является следствием формирования в пленке шести микрорешеток, которые имеют большие поперечные вектора, ориентированные под 60 друг к другу. Было показано, что устойчивость гексагона не зависит от знака циркулярной поляризации, в отличие от их временной эволюции. Установлено, что причиной возникновения гексагона является двухмерная дифракция Брэгга на исходной решетке.

Исследование картин малоуглового рассеяния света при формирования СР в двухмодовых пленках AgCl-Ag при наклонном падении Р-поляризованного лазерного пучка в условии существенной конкуренции ТЕ₀- и ТМ₀-мод привело к обнаружению в районе отраженного лазерного пучка нового вида картины гексагональной симметрии с малыми волновыми векторами. Показано, что образование гексагона зависит от наличия конкуренции между ТЕ₀- и ТМ₀-модами при формировании и росте СР. Было установлено, что формированию гексагона препятствует отсутствие решеток ТЕ₀-типа, образование которых в существенной мере зависит от величины фактора заполнения композитной пленки гранулами серебра.

Рассмотрена методика измерений показателя преломления диэлектрических образцов по малоугловому рассеянию света с помощью СР, развивающихся в светочувствительной тонкой пленке под действием S-поляризованного лазерного пучка на предельных ТЕ-модах подложки. Представленный метод позволяет измерять показатель преломления изотропных и анизотропных образцов в интервале 1.3 - 2.5 на поверхностях с площадью, определяемой сечением лазерного пучка, индуцирующего СР. Показана возможность определения показателей преломления подложек с искривленной поверхностью.

Ключевые слова: светочувствительные тонкие пленки, волноводные моды, спонтанные решетки, малоугловое рассеяние света.

Размещено на Allbest.ru

...