Фотоіндуковані гратки просторового заряду в сегнетонапівпровідникових кристалах Sn2P2S6

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Ужгородський національний університет

УДК 530.182:535.326

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Фотоіндуковані гратки просторового заряду в сегнетонапівпровідникових кристалах Sn2P2S6

01.04.10 - фізика напівпровідників та діелектриків

Кедик Ігор Васильович

Ужгород - 2004

Дисертацією є рукопис фоторефрактивний кристал голографія

Робота виконана на кафедрі фізики напівпровідників та в Науково-дослідному інституті фізики і хімії твердого тіла Ужгородського національного університету Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат фізико-математичних наук, старший науковий співробітник Грабар Олександр Олексійович, завідувач відділом Інституту фізики і хімії твердого тіла УжНУ

Офіційні опоненти: доктор фізико - математичних наук, професор Кикинеші Олександр Олександрович, Ужгородський національний університет Міністерства освіти і науки України, кафедра твердотільної електроніки

доктор фізико - математичних наук, професор Влох Ростислав Орестович, Інститут фізичної оптики Міністерства освіти і науки України (м. Львів), заступник директора

Провідна установа: Інститут фізики напівпровідників НАН України, м. Київ.

Захист відбудеться “_27_”_травня_2004 р. о _1400_год. на засіданні спеціалізованої вченої ради К61.051.01 в Ужгородському національному університеті Міністерства освіти і науки України за адресою: м. Ужгород, вул. Волошина, 32, ауд. № 137.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Ужгородського національного університету (м. Ужгород, вул. Капітульна, 6).

Автореферат розісланий “_23__”__квітня__2004 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, доктор фіз. - мат. Наук проф. Блецкан Д.І.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Просторово-періодичне освітлення в фоточутливому матеріалі приводить до формування граток просторового заряду та відповідного поля просторового заряду. В електрооптичних кристалах присутність такого поля викликає просторову модуляцію показника заломлення n. Дослідження фоторефрактивного (ФР) ефекту, тобто зміни показника заломлення під дією світла, привертає увагу можливістю застосування в динамічній голографії для підсилення слабких лазерних пучків та корекції їх поперечної структури, підсилення контрасту зображень та їх оптичної обробки в реальному часі. Дослідження ФР властивостей матеріалів дають можливість отримати інформацію про процеси, які відбуваються під час формування граток просторового заряду: фотогенерацію, дифузію та релаксацію носіїв заряду, а також дозволяють оцінити діелектричні та нелінійно-оптичні параметри досліджуваного матеріалу.

Високі значення n можуть бути отримані в матеріалах із значними електрооптичними коефіцієнтами, до яких відносяться зокрема сегнетоелектричні кристали. Можна виділити два основні типи ФР матеріалів. До першого типу відносяться напівпровідникові матеріали, такі як GaAs, CdTe та інші, з порівняно малою фотоіндукованою зміною n, але малоінерційним ФР відгуком (порядка мікросекунд). До другого типу належать широкозонні діелектричні кристали типу BaTiO3, LiNbO3, BaXSr1-XNb2O6 та інші, що характеризуються високими амплітудними значеннями n, але відносно тривалим часом ФР відгуку. Тому важливим завданням є пошук та оптимізація матеріалів, які б поєднували високі значення n та швидкий ФР відгук.

Крім того, актуальною є розробка ФР матеріалів, чутливих у червоній та інфрачервоній областях спектру, оскільки саме в цьому діапазоні випромінюють промислові напівпровідникові лазери та працюють сучасні оптоволоконні лінії зв'язку.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота включає результати досліджень, що виконувались на кафедрі фізики напівпровідників і в Науково-дослідному Інституті фізики і хімії твердого тіла Ужгородського національного університету відповідно до плану наступних держбюджетних науково-дослідних робіт: “Нові складні напівпровідникові матеріали для оптичних пристроїв видимого та ІЧ діапазонів спектру” (№0198U003094, 1997-1998); “Фоторефрактивні та нелінійно-оптичні халькогенідні матеріали для видимого та ІЧ діапазонів спектру” (№0100U005330, 2000-2002); “Фотоіндуковані та релаксаційні процеси в нелінійних сегнетонапівпровідникових кристалах” (№0103U001685, 2003-2005).

Метою роботи було дослідити основні властивості граток просторового заряду та ФР характеристики кристалів Sn2P2S6 , отриманих різними методами, а також можливості використання цих кристалів у пристроях динамічної голографії.

Для досягнення цієї мети необхідно було виконати такі завдання:

- виміряти залежності коефіцієнта двохвильової взаємодії від періоду гратки просторового заряду та поляризації світла в кристалах, отриманих різними методами (хімічних транспортних реакцій, Бріджмена-Стокбаргера), а також відпалених у вакуумі та атмосфері сірки;

- ретельно дослідити залежності динаміки двохвильової взаємодії від періоду гратки просторового заряду та інтенсивності взаємодіючих променів у номінально чистих та модифікованих умовами росту кристалах Sn2P2S6 ;

- дослідити динаміку формування та кутовий розподіл фотоіндукованого розсіювання світла, його поляризаційні особливості;

- дослідити функціональні характеристики оптичного фільтру новин та самонакачуваного фазоспряжуючого дзеркала з використанням у якості нелінійного елемента кристалу Sn2P2S6.

Об'єкт дослідження - кристали Sn2P2S6 , одержані різними методами вирощування та післяростової обробки.

Предмет дослідження - фоторефрактивні властивості кристалів та їх практичне застосування.

Для досягнення поставленої мети були використані наступні методи дослідження:

- спектрофотометричний метод для дослідження оптичного поглинання кристалів у видимій та ближній інфрачервоній областях спектру;

- голографічний метод для дослідження статичних та динамічних характеристик граток просторового заряду в дво- та чотирихвильовій схемах;

- комп'ютерне моделювання багатопучкової ФР взаємодії на основі чисельного розв'язку систем диференціальних рівнянь зв'язаних хвиль для аналізу просторового розподілу фотоіндукованого розсіювання світла.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що вперше:

- виявлено можливість значного покращення фоторефрактивних параметрів кристалів Sn2P2S6 шляхом модифікації умов росту (зміна транспортера та температурного режиму росту): максимальне значення коефіцієнту двохвильової взаємодії Г підвищується від 6 см-1 до 38 см-1 при збудженні лазерним випромінюванням з довжиною хвилі 633 нм. При цьому час фоторефрактивного відгуку складає = 0.02 с при інтенсивності лазерного випромінювання 0.3 Вт/см2;

- за допомогою голографічної методики визначено окремі нелінійно-оптичні та електрофізичні параметри кристалів Sn2P2S6 , отриманих методом хімічних транспортних реакцій: номінально чистих (вирощених з використанням транспортеру SnI2) та модифікованих умовами росту (із заміною транспортера на SnI4 та зміною температурного режиму росту). Встановлено, що покращення ФР параметрів в модифікованих умовами росту порівняно з номінально чистими кристалами пов'язане з підвищенням концентрації фоторефрактивних центрів та зменшенням впливу електрон-діркової компенсації;

- проведено моделювання багатопроменевої фоторефрактивної взаємодії на основі досліджень фотоіндукованого розсіювання світла в модифікованому Sn2P2S6 . Показано, що просторовий розподіл інтенсивності розсіяного світла визначається кутовою залежністю коефіцієнта двохвильової взаємодії Г, умовами фазового узгодження хвильових векторів розсіяних променів та діаметром променя накачки;

- розраховано основні характеристики фазоспряженої хвилі (час формування та амплітуду) на основі експериментальних досліджень двохвильової взаємодії в номінально чистому кристалі Sn2P2S6 . Отримані результати добре узгоджуються з даними експериментальних досліджень обернення хвильового фронту лазерного випромінювання в цьому кристалі.

Практичне значення результатів роботи полягає в наступному:

- оптимізовано амплітудні та динамічні характеристики фазоспряженої хвилі в схемі самонакачуваного фазоспряжуючого дзеркала шляхом вибору орієнтації кристалу та геометрії чотирихвильової взаємодії;

- продемонстровано можливість використання кристалів Sn2P2S6 в якості нелінійних елементів для оптичних систем обробки зображень з високими експлуатаційними параметрами.

Особистий внесок здобувача. Здобувач приймав участь в постановці задач, виборі та підготовці зразків до оптичних вимірювань [3, 7]. Автором безпосередньо проведені експериментальні вимірювання спектрів оптичного пропускання [2, 4], фоторефрактивних параметрів [2, 4, 5], фотоіндукованого розсіювання світла [9, 12, 14], функціональних характеристик оптичного фільтру новин [1, 6, 8] та фазоспряжуючого дзеркала [10, 11, 13]. Здобувач приймав участь в обробці та інтерпретації результатів експериментальних досліджень і теоретичних розрахунків [5, 7].

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на наступних конференціях:

q IV Ukrainian - Polish meeting on Phase Transitions and Ferroelectric Physics (м. Дніпропетровськ, червень 1998);

q IX Науково - технічна конференція “Хімія, фізика і технологія халькогенідів та халькогалогенідів” (м. Ужгород, жовтень 1998);

q The Fourth International Conference on Correlation Optics (м. Чернівці, травень 1999);

q I Українська школа-семінар з фізики сегнетоелектриків та споріднених матеріалів (м. Львів, серпень 1999);

q NATO Advanced Research Workshop on Modern Aspects of Ferroelectricity and Open Ukrainian - French Meeting on Ferroelectricity (м. Київ, квітень 2000);

q X Науково - технічна конференція “Складні оксиди, халькогеніди та халькогалогеніди для функціональної електроніки” (м. Ужгород, вересень 2000);

q International Meeting on Parametric Optics (м. Львів, вересень 2001);

q Всеукраїнська конференція молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики “Евріка - 2002” ( м. Львів, травень 2002);

q 7th Russian / CIS / Baltic / Japan Symposium on Ferroelectricity (м. Санкт-Петербург, червень 2002);

q VI Ukrainian - Polish and II East - European Meeting on Ferroelectric Physics (Ужгород-Синяк, вересень 2002).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 14 робіт: з них 4 статті у наукових журналах 1-4 та 10 тез доповідей на наукових конференціях 5-14.

Структура та об'єм роботи. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків і списку використаних джерел (139 найменувань). Робота викладена на 126 сторінках, містить 49 рисунків та 2 таблиці.

Зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано її мету, визначені основні завдання дослідження, наукова новизна та практичне значення одержаних результатів.

Перший розділ містить огляд основних понять фоторефрактивного (ФР) ефекту, динамічної голографії, двохвильової взаємодії, розглянуто механізми формування фоторефрактивих граток та опис їх амплітудних і динамічних характеристик в рамках дифузійного механізму та одноцентрової моделі ФР ефекту. Приведено деякі фізико-хімічні, оптичні та електрофізичні властивості досліджуваних матеріалів. Дано короткий опис підготовки зразків до оптичних вимірювань та використаних експериментальних методик.

Другий розділ присвячений вивченню фоторефрактивних та електрофізичних параметрів за допомогою голографічної методики. Суть методики полягає в дослідженні динаміки підсилення сигнального променя при його взаємодії з опорним променем в процесі формування ФР гратки. В стаціонарних умовах на насиченні підсилення взаємодія опорного і сигнального променів виражається співвідношенням :

, (1)

де IS0, IR0, ISd, IRd - інтенсивності сигнального (S) та опорного (R) променів до (0) та після (d) взаємодії; Г - коефіцієнт двохвильової взаємодії; d - лінійні розміри області взаємодії (товщина кристалу). Коефіцієнт Г зв'язаний з амплітудою ФР гратки n :

, (2)

де - фазовий зсув між інтерференційною картиною і ФР граткою; m - глибина модуляції інтерференційної картини; - довжина хвилі взаємодіючих променів; - половина кута між променями всередині кристалу, що визначає просторовий період ФР гратки = / 2 sin .

З метою контролю оптичної якості та однорідності ФР параметрів монокристалів Sn2P2S6 приведено результати вимірювання просторового розподілу коефіцієнта двохвильової взаємодії Г. Зроблено висновок про задовільну однорідність ФР параметрів досліджуваних зразків.

З метою дослідження впливу методів вирощування, легування та умов росту, а також методів термообробки (відпал у вакуумі і атмосфері сірки) кристалів Sn2P2S6 на їх ФР властивості проведено вимірювання залежності коефіцієнта двохвильової взаємодії Г від періоду гратки просторового заряду на серії зразків: номінально чистих кристалів, які вирощені методом хімічних транспортних реакцій (ХТР) з використанням транспортера I або SnI2 (зразки № 1, 2, 5); отриманих методом Бріджмена - Стокбаргера (БС, зразок № 4); номінально чистих кристалів, відпалених (впродовж 5 діб при температурі 350 0С) у вакуумі (зразок № 2) та атмосфері сірки (зразок № 5); модифікованих кристалів (зразки № 3, 6). Крім номінально чистих кристалів Sn2P2S6 (жовтого кольору) досліджувались так звані модифіковані кристали Sn2P2S6 (темно-коричневого кольору), що були отримані методом ХТР із заміною транспортера SnI2 на SnI4 , та зміною температурного режиму росту. Зміна оптичних характеристик ймовірно пов'язана з підвищенням концентрації власних дефектів.

Зафіксовано помітне зростання максимального значення коефіцієнта Г для зразків № 2, 4 після їх опромінення білим світлом від вольфрамової лампи розжарювання потужністю 100 Вт. Відхилення від стехіометричного складу в бік дефіциту фосфору (зразок № 4) приводить до підвищення максимального значення коефіцієнта Г та відповідної концентрації ФР центрів Neff при значному підвищенні коефіцієнта поглинання (див. табл. 1). Це, ймовірно, обумовлене появою серії додаткових локальних рівнів у забороненій зоні, які приймають участь у формуванні фотоіндукованої гратки просторового заряду. Однак, кристали Sn2P2S6 , отримані методом Бріджмена - Стокбаргера мають значно нижчу оптичну якість.

Модифіковані кристали Sn2P2S6 (зразки № 3, 6) характеризуються найвищими значеннями коефіцієнта Г. Залежність ФР параметрів від орієнтації площини поляризації світла пов'язана з анізотропією ефективного електрооптичного коефіцієнта, а відсутність змін чутливості після опромінення чи витримки в темноті є позитивним фактором з точки зору можливих застосувань.

Оскільки ФР параметри модифікованого Sn2P2S6 є найкращими серед досліджуваних зразків, детальні дослідження динаміки ФР відгуку проводились саме для цього типу кристалів, а також, з метою порівняння, для номінально чистих кристалів Sn2P2S6 .

Таблиця 1. Фоторефрактивні параметри кристалів Sn2P2S6 , отриманих різними методами

Зразки Sn2P2S6 (спосіб отримання, насвічування)	Гмах , см-1	(=0.633 мкм), см-1	reff, тпм/В	Neff , 1016 см-3
ХТР № 2, ненасвічений № 2, насвічений № 1, насвічений	2(X) 4(X) 5.5(X)	0.8(X,Y)	13.9 (X) 23.7 (X) 36.7 (X)	0.67 (X) 0.65 (X) 0.50 (X)
БС № 4, ненасвічений № 4, насвічений	8(X) 10(X)	11.0(X), 7.0(Y)	_ _	_ _
Відпал в атмосфері сірки № 2, насвічений	<4(X)	0.6(X,Y)	_	_
Модифікований, № 3	38(X) 20(Y)	6.4(X) 4.8(Y)	129 (X) 86 (Y)	2.67 (X) 1.54 (Y)

(X,Y) - орієнтація азимута площини поляризації світла

Виявлено, що динаміка підсилення сигнального променя при двохвильовій взаємодії має біекспоненційний характер з наявністю двох вкладів з різними характерними часами та амплітудами. Визначено час формування швидкої компоненти ФР гратки при різних сумарних інтенсивностях взаємодіючих променів І та просторових періодах гратки . Апроксимація залежності оберненого часу ФР відгуку від періоду гратки при фіксованій сумарній інтенсивності взаємодіючих променів дає можливість оцінити дифузійну довжину LD та довжину екранування фотоіндукованих носіїв заряду ?S . При сумарній інтенсивності взаємодіючих променів І0 = 0.25 Вт/см2 для номінально чистого Sn2P2S6 знайдено LD = (0.78 0.03) мкм та ?S = (0.24 0.02) мкм, для модифікованого - LD = (0.40 0.02) мкм та ?S = (0.19 0.03) мкм. Величини дебаєвої довжини екранування ?S , визначені з аналізу результатів вимірювань залежності Г() та динаміки формування ФР гратки, добре узгоджуються між собою. В припущенні залежності LD та ?S від інтенсивності світла досягнуто кращої апроксимації експериментальних даних єдиним набором параметрів. Як для номінально чистого, так і для модифікованого умовами росту Sn2P2S6 , LD та ?S зменшуються із збільшенням інтенсивності світла, причому дифузійна довжина завжди більша від дебаєвої довжини екранування. Існування залежності ефективних параметрів від інтенсивності світла може бути пов'язане з присутністю додаткових рівнів захоплення (мілких пасток) в забороненій зоні, які змінюють ефективну концентрацію фоторефрактивних центрів за рахунок вторинних процесів фотозбудження.

Отримані дані використовувались для оцінки темнової провідності , добутку рухливості на час життя R та квантового виходу , як параметрів апроксимаційних кривих залежності обернених часів від сумарної інтенсивності взаємодіючих променів при фіксованих періодах гратки.

За екстрапольованими до нульової інтенсивності світла значеннями обернених характерних часів для різних просторових періодів ФР гратки оцінено величину темнової провідності D . Для модифікованого Sn2P2S6 , при виміряному значенні діелектричної проникності = 300, вона складає D = (3.4 0.3)10-9 Ом-1см-1, для номінально чистого кристалу D = (3.9 0.5)10-9 Ом-1см-1 при = 230. Значення добутку рухливості на час життя для номінально чистого Sn2P2S6 знаходиться в межах R = (2.4 6.5)10-7 см2/В, для модифікованого - R = (0.5 2.0)10-7 см2/В. Такі низькі значення узгоджуються з припущенням про стрибковий механізм переносу заряду.

У третьому розділі приведено результати досліджень фотоіндукованого розсіювання світла (ФІРС) в модифікованому умовами росту кристалі Sn2P2S6 . Це явище пов'язане з формуванням шумових ФР граток. Шумові гратки формуються за рахунок взаємодії основного променя з променями світла, розсіяного на неоднорідностях поверхні та об'єму кристалу. При цьому певна частина пучка розсіяного світла зазнає підсилення.

Вивчено вплив ФІРС на динаміку пропускання лазерного променя. З цією метою виміряно залежності відносного послаблення інтенсивності лазерного променя, що пройшов крізь кристал (перпендикулярно полярному напрямку Х в площині симетрії XZ) від орієнтації площини поляризації цього променя відносно кристалографічної осі Х, при різних інтенсивностях падаючого променя та товщинах зразка. Показано, що така залежність може бути описана в рамках моделі, що описується системою рівнянь зв'язаних хвиль (3) , яка враховує енергообмін між основним променем та розсіяним світлом. При інтерференції однакових проекцій світлового поля (Х або Y) основного (R) та розсіяних (S) променів формуються шумові ФР гратки. При цьому шумові ФР гратки, сформовані ортогонально поляризованими проекціями променів, взаємно стираються. Розраховано поляризаційні залежності відносного послаблення інтенсивності лазерного променя, що залежать від усереднених коефіцієнтів двохвильової взаємодії ГХ, ГY для двох взаємно ортогональних компонент світлового поля, та феноменологічного коефіцієнта розсіювання f. Виявлено, що анізотропія поглинання X , Y мало впливає на вид залежності. Апроксимацією залежності відносного послаблення інтенсивності лазерного променя від орієнтації площини поляризації цього променя відносно кристалографічної осі Х, для двох товщин зразка, визначено числові значення усереднених коефіцієнтів двохвильової взаємодії (ГХ = 31 см-1, ГY = 24 см-1), що узгоджуються з виміряними їх значенням для = (1.670.15) мкм.

Для моделювання розподілу інтенсивності розсіяного світла (вздовж осі Х) використано двомірну модель пучка розсіяного світла, що складається з 50-ти променів, які поширюються під різними кутами відносно основного променя в площині ХZ. Розрахунки проводились з використанням експериментальних значень коефіцієнта поглинання (X = 6.4 см-1) та виміряної залежності коефіцієнта двохвильової взаємодії від кута між взаємодіючими променями. Враховувалась двохвильова попарна взаємодії як між променями розсіяного світла, так і їх взаємодія з основним променем. Використано релеївське наближення кутової залежності феноменологічного коефіцієнта розсіювання f з врахуванням впливу діаметру основного променя на граничні розміри області взаємодії. Враховуючи рефракцію на вихідній грані, одержано розподіл інтенсивності розсіяного світла в напрямку осі Х при різних діаметрах основного променя.

Використовуючи тривимірну модель пучка розсіяного світла та параметрів енергообміну, на основі експериментальних даних вимірювань двохвильової взаємодії, розраховано просторовий розподіл розсіяного світла в площині, перпендикулярній до напрямку поширення основного променя. Встановлено, що на форму пучка розсіяного світла та положення максимуму розподілу інтенсивності розсіяного світла впливають урахування ФР взаємодії між променями розсіяного світла, значення коефіцієнта розсіювання (f = 510-5) та діаметр основного пучка w. Дана модель дає можливість задовільно описати просторовий розподіл інтенсивності розсіяного світла в дальній зоні за кристалом при різних діаметрах w основного променя.

Проведено дослідження просторового розподілу ФІРС, що спостерігається при поширенні променя гелій-неонового лазера (основний промінь) в Y- напрямку, перпендикулярному до площини симетрії. Дана картина спостерігається при орієнтації азимута поляризації падаючого світла паралельно X або Z, тобто під кутом ~ 450 до головних осей оптичної індикатриси в площині XZ. За таких умов в кристалі формуються конкуруючі шумові ФР голограми, що відповідають двом ортогональним (власним) поляризаціям світлового поля. При цьому розсіяне випромінювання концентрується лише в тих напрямках, де співпадають брегівські умови для ортогонально поляризованих хвиль. Використовуючи головні значення показників заломлення та орієнтацію оптичної індикатриси кристалу Sn2P2S6, було розраховано напрямки, в яких виконуються брегівські умови для ортогонально поляризованих розсіяних хвиль. Результати розрахунку добре узгоджуються з експериментально спостережуваними картинами.

Четвертий розділ присвячений реалізації окремих схем динамічної голографії із застосуванням кристалів Sn2P2S6 .

Досліджено функціональні характеристики оптичного фільтру новин в двопроменевій схемі, принцип роботи якого базується на явищі двопучкового енергообміну в ФР середовищі. Об'єктний промінь, що переносить зображення, та однорідний опорний промінь, інтерферуючи в об'ємі кристалу, формують динамічну голограму. При цьому ФР кристал орієнтується таким чином, що об'єктний промінь послаблюється внаслідок двохвильової взаємодії. Якщо представити зображення, що переносить об'єктний промінь, у вигляді суперпозиції плоских хвиль, то тільки ті з них не зазнаватимуть ослаблення, збурення яких відбуватиметься за час, менший від характерного часу формування голограми. За результатами досліджень динамічних характеристик фільтру показано, що яскравість контурів рухомих об'єктів після фільтрації залежить від напрямку їх переміщення відносно напрямку енергопереносу в двопроменевій схемі. При сумарній інтенсивності 0.166 Вт/см2 та параметрі двохвильової взаємодії Гd = 8.5 гранична частота розділення двопроменевого фільтру становить fГР = 1.39 Гц, тобто виділяються об'єкти з частотою змін f < fГР .

Динамічний характер ФІРС, що досліджувався в модифікованому умовами росту кристалу Sn2P2S6 , використано в однопроменевій схемі фільтру новин. Показано, що найбільший контраст фільтрації (~ 90 %) досягається в геометрії, коли об'єктний промінь поляризований в площині XZ. За результатами вимірювань динаміки ослаблення встановлено, що в межах інтенсивності лазерного променя 0.031 0.368 Вт/см2 гранична частота розділення фільтру становить ~ 11 Гц.

Однією із задач, яка ефективно реалізується методами динамічної голографії, є обернення хвильового фронту лазерного променя. В дисертаційній роботі проведено оптимізацію параметрів однієї з схем, а саме самонакачуваного фазоспряжуючого дзеркала (рис. 1, а), з використанням номінально чистого кристалу Sn2P2S6 .

а)

б)

Рис. 1 а) Схема досліджень обернення хвильового фронту лазерного променя: 1-гелій - неоновий лазер; 2, 5, 6 - дзеркала; 3 - подільник променя; 4 - кристал Sn2P2S6 на столику, що повертається; 7 - блок реєстрації інтенсивності фазоспряженого променя; 8 - вимірювач інтенсивності променя накачки.

б) Залежність відбивної здатності ФС дзеркала від кута падіння променя накачки та кута петлі 2.

Показано, що ефективність обернення хвильового фронту RФС (відношення інтенсивності фазоспряженого променя до інтенсивності падаючого) та час його формування, визначений як 90%-10% (рис. 2), залежать від модуля та орієнтації динамічної ФР, які визначаються кутом падіння променя накачки та кутом 2 в оптичній петлі (рис. 1, б). В оптимальній геометрії, при якій відбивання на гранях кристалу мінімальне, виміряне значення відбивної здатності фазоспряжуючого дзеркала становить 23 %.

Рис. 2 Часова еволюція відбивної здатності фазоспряжуючого дзеркала RФС.

Для розрахунку орієнтаційних залежностей відбивної здатності фазоспряжуючого дзеркала та часу формування фазоспряженого променя були використані результати досліджень стаціонарного енергообміну та динаміки формування ФР гратки в цьому кристалі при різних інтенсивностях взаємодіючих променів та просторових періодах , а також орієнтаційна залежність діелектричної проникності. Отримано задовільне співпадіння експериментальних даних та результатів розрахунків. Розрахунок показує, що, враховуючи поглинання світла та виключаючи втрати на відбивання гранями кристалу (наприклад, за рахунок просвітлення), відбивна здатність ФС дзеркала може досягти величини ~ 35 % при оптимальних значеннях кута падіння променя накачки та кута 2 в оптичній петлі (рис. 1 б). Показано, що теоретична межа відбивної здатності ФС деркала за повної відсутності втрат на відбивання на гранях кристалу та дзеркалах оптичної петлі становить ~ 55 %. При цьому характерний час формування фазоспряженої хвилі становить ~ 0.015 с при інтенсивності променя накачки ~ 0.3 Вт/см2

Висновки

1. В результаті проведених досліджень встановлено, що модифікацією умов росту в порівнянні з номінально чистим Sn2P2S6 кристалом досягається суттєве підвищення параметрів двохвильової взаємодії (Г 38 см-1) при високій швидкості ФР відгуку ( 0.02 с). Додатковою перевагою є відсутність впливу попереднього освітлення на амплітуду ФР відгуку у модифікованому Sn2P2S6.

2. Значне підвищення коефіцієнту енергообміну в модифікованих кристалах Sn2P2S6 в порівнянні з номінально чистими пов'язане зі збільшенням концентрації фоторефрактивних центрів та зменшенням впливу електрон-діркової компенсації.

3. Отримані експериментальні докази впливу додаткових рівнів захоплення (мілких пасток) на зміну ефективної концентрації ФР центрів та часу ФР відгуку за рахунок перерозподілу фотоіндукованих носіїв заряду між цими рівнями. Це проявляється через немоноекспоненційний характер динаміки підсилення та релаксації лазерних променів і в залежності ефективних значень дебаєвої довжини екранування та дифузійної довжини від інтенсивності світла.

4. Фотоіндуковане розсіювання світла, що спостерігається в модифікованих Sn2P2S6 , обумовлене формуванням шумових голограм за рахунок значного фоторефрактивного підсилення лазерних променів. Динамічні особливості формування розсіювання можуть бути використані в оптичних системах обробки зображень для візуалізації різного роду збурень, в тому числі фазових.

5. Просторовий розподіл розсіяного світла визначається кутовою залежністю підсилення, умовами фазового узгодження хвильових векторів розсіяних променів та діаметром променя накачки. При цьому суттєву роль відіграє взаємодія розсіяних променів всередині пучка розсіяного світла.

6. Розглянуто можливості практичного використання модифікованих умовами росту кристалів Sn2P2S6 в якості нелінійного елемента оптичного фільтра новин в одно- та двопроменевій схемах. Показано, що використання цих кристалів дозволяє досягти високої контрастності та швидкодії обробки змінного в часі зображення.

7. Експериментально отримано ефективність генерації фазоспряженої хвилі RФС ~ 0.2 при часі формування фазоспряженої хвилі ~ 0.02 с з використанням номінально чистого кристалу Sn2P2S6 (в схемі самонакачуваного фазоспряжуючого дзеркала). Показано, що ці параметри можуть бути суттєво покращені шляхом зменшення втрат на відбивання (до RФС~0.35).

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. І.В.Кедик, О.О.Грабар, М.І.Гурзан, В.Ю.Сливка. Однопроменевий фоторефрактивний фільтр новин на основі Sn2P2S6 // Науковий вісник Ужгородського університету. Серія Фізика.- 1999.- No.4.- ст.94-98.

2. A.A.Grabar, I.V.Kedyk, M.I.Gurzan, I.M.Stoika, A.A.Molnar, Yu.M.Vysochanskii. Enhanced photorefractive properties of modified Sn2P2S6 // Optics Communications. - 2001. -V.188. - P.187-194.

3. A.A.Grabar, I.V.Kedyk, I.M.Stoika, Yu.M.Vysochanskii. Reflection of Light by Charged Domain Walls in Sn2P2S6 Uniaxial Ferroelectrics // Ferroelectrics. -2001.- Vol.254. - P.285-293.

4. A.A.Grabar, M.I.Gurzan, I.V.Kedyk, I.M.Stoika, and Yu.M.Vysochanskii. Optical properties and applications of photorefractive Sn2P2S6. // Ferroelectrics. -2001.- 257. - P.245 -254.

5. A.A.Grabar, A.A.Hryn, I.V.Kedyk, Yu.M.Vysochanskii. Photorefraction and self-focussing effects in Sn2P2(SxSe1-x)6 ferroelectrics-semiconductors // IV Ukrainian - Polish Meeting on Phase Transitions and Ferroelectric Physics. Abstracts. - Dniepropetrovsk (Ukraine). - 1998. - P.80.

6. І.В.Кедик, М.І.Гурзан, І.В.Стойка, О.О.Грабар, В.Ю.Сливка. Фільтр новин на основі фоторефрактивного ефекту в модифікованих кристалах Sn2P2S6 // I Українська школа-семінар з фізики сегнетоелектриків та споріднених матеріалів. Тези доповідей. - Львів. - 1999. - P.98.

7. A.A.Grabar, I.M.Stoika, I.V.Kedyk. Reflection of light by charged domain walls in Sn2P2S6 uniaxial ferroelectrics // Proc. of NATO Advanced Research Workshop on Modern Aspects of Ferroelectricity and Open Ukrainian - French Meeting on Ferroelectricity. - Kiev (Ukraine). - 2000. 0.5 друк.арк.

8. A.A.Grabar, I.V.Kedyk, I.M.Stoika, M.I.Gurzan and Yu.M.Vysochanskii. Photorefractive properties of Sn2P2S6 and its applications // Proc. of NATO Advanced Research Workshop on Modern Aspects of Ferroelectricity and Open Ukrainian - French Meeting on Ferroelectricity. - Kiev (Ukraine). - 2000. 0.8 друк. арк.

9. І.В.Кедик, О.О.Грабар, І.М.Стойка, М.І.Гурзан, В.Ю.Сливка. Фоторефрактивні властивості модифікованих кристалів Sn2P2S6 та їх використання // X Науково-технічна конференція “Складні оксиди, халькогеніди та халькогалогеніди для функціональної електроніки”. Програма і тези доповідей. - Ужгород. - 2000. -С.107

10. A.A.Grabar, I.V.Kedyk, I.M.Stoika, M.I.Gurzan and Yu.M.Vysochanskii. Photorefractive properties of Sn2P2S6 ferroelectrics // International Meeting on Parametric Optics. Abstracts. - Lviv. - 2001. -P.24.

11. A.A.Grabar, I.V.Kedyk, I.M.Stoika, M.I.Gurzan and Yu.M.Vysochanskii. Photorefractive application of Sn2P2S6 ferroelectrics // Book of Abstracts of Symposium on Ferroelectricity. St-Petersburg (Russia). - 2002. - P.209.

12. І.В.Кедик, О.О.Грабар, М.І.Гурзан, Ю.М.Височанський. Фотоіндуковане розсіювання світла у модифікованих Sn2P2S6 кристалах // Всеукраїнська конференція молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики “Евріка - 2002”. Збірник тез. - Львів. - 2002. - С.86-87.

13. A.A.Grabar, I.V.Kedyk, I.M.Stoika, and M.I.Gurzan. Modification of Sn2P2S6 for photorefractive applications // VI Ukrainian - Polish and II East - European Meeting on Ferroelectric Physics. Program and Abstract book. - Uzhgorod -Synjak (Ukraine). - 2002. -P.37.

14. I.V.Kedyk, M.I.Gurzan, V.Yu.Slivka. Photorefractive light-induced scattering in Sn2P2S6 // VI Ukrainian - Polish and II East-European Meeting on Ferroelectric Physics. Program and Abstract book. - Uzhgorod -Synjak (Ukraine). - 2002. -P.60.

Анотація

Кедик І.В. Фотоіндуковані гратки просторового заряду в сегнетонапівпровідникових кристалах Sn2P2S6 .- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.10 - фізика напівпровідників та діелектриків. - Ужгородський національний університет, Ужгород, 2004.

Дисертаційна робота присвячена дослідженню основних властивостей граток просторового заряду кристалів Sn2P2S6 , отриманих різними методами, та можливості використання цих кристалів у пристроях динамічної голографії. Використовуючи голографічну методику визначено ряд фоторефрактивних (ФР) та електрофізичних параметрів кристалів Sn2P2S6.

Досліджено динаміку формування, просторовий розподіл, орієнтаційні та поляризаційні властивості фотоіндукованого розсіювання світла (ФІРС) в зразках модифікованого умовами росту Sn2P2S6.

Використовуючи динамічні особливості формування розсіювання та модифікований умовами росту кристал Sn2P2S6 , реалізовано однопроменевий оптичний фільтр новин, який характеризується високою контрастністю та швидкодією.

На основі номінально чистого кристалу Sn2P2S6 досліджено схему самонакачуваного фазоспряжуючого (ФС) дзеркала. За умов оптимального вибору орієнтації зразка, експериментально отримано значення ефективності перетворення RФС ~ 0.2 при характерному часі формування ФС променя ~ 0.02 с. Показано можливість суттєвого покращення цих параметрів шляхом зменшення втрат на відбивання (до RФС ~ 0.35).

Ключові слова: сегнетоелектрики-напівпровідники, Sn2P2S6, фоторефрактивний ефект, фотоіндуковане розсіювання світла, динамічна голографія, обернення хвильового фронту.

Аннотация

Кедик И.В. Фотоиндуцированные решетки пространственного заряда в сегнетополупроводниковых кристаллах Sn2P2S6 .- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков. - Ужгородский национальный университет, Ужгород, 2004.

Диссертационная работа посвящена исследованию формирования фотоиндуцированных решеток пространственного заряда в кристаллах Sn2P2S6, в том числе модифицированных технологией выращивания и методами послеростовой обработки, а также возможностей использования этих кристаллов в оптических системах обработки изображений. Используя голографическую методику, определены некоторые фоторефрактивные (ФР) и электрофизические параметры кристаллов Sn2P2S6, полученных методами химических транспортных реакций (ХТР) и Бриджмена-Стокбаргера (БС), отожженных в вакууме и в атмосфере серы, а также модифицированных условиями роста. В образцах, полученных методом БС обнаружено повышение амплитуды фоторефрактивного отклика и соответствующей концентрации ФР центров при значительном повышении коэффициента. Модифицированные условиями роста кристаллы Sn2P2S6 характеризируются наивысшими значениями коэффициента двухволнового взаимодействия (Г 38 см-1) при высокой скорости ФР отклика ( = 0.02 с). Дополнительными достоинствами последних есть отсутствие влияния предварительного насвечивания на амплитуду ФР отклика и уменьшение влияния электрон-дырочной компенсации.

Исследованы динамика формирования и пространственное распределение фотоиндуцированного рассеивания света (ФИРС) в образцах модифицированного условиями роста Sn2P2S6 , наличие которого обусловлено усилением рассеянного на неоднородностях поверхности и объема света за счет энергообмена с основным лазерным лучом. Установлено, что пространственное распределение интенсивности рассеянного лазерного излучения определяется условиями фазового согласования волновых векторов взаимодействующих лучей и угловой зависимостью коэффициента двухволнового взаимодействия с учетом влияния диаметра луча возбуждения. Зависимость интенсивности рассеянного света от ориентации плоскости поляризации возбуждающего луча обусловлена взаимным стиранием шумовых фоторефрактивных решеток, сформированных ортогонально поляризированными компонентами светового поля. Результаты расчетов пространственного распределения рассеянного света, которые выполнены с использованием результатов измерений двухволнового взаимодействия и информации об ориентации оптической индикатрисы, хорошо согласуются с экспериментально наблюдаемыми.

Используя динамические особенности формирования рассеивания, проведены тестирования однолучевого оптического фильтра новостей, который характеризируется высокой контрастностью и быстродействием. Также исследованы функциональные характеристики оптического фильтра новостей в двухлучевой схеме, принцип работы которого основан на двухволновом взаимодействии в ФР среде. Получено, что при суммарной интенсивности 0.166 Вт/см2 и параметре двухволнового взаимодействия Гd = 8.5, предельная частота временного разделения составляет 1.39 Гц.

Исследована схема самонакачиваемого фазосопрягающего (ФС) зеркала с использованием кристалла Sn2P2S6 . Экспериментально получены значения эффективности преобразования RФС ~ 0.2 при характерном времени формирования фазосопряженного лазерного луча ~ 0.02 с. Используя результаты исследований стационарного энергообмена, динамики формирования ФР решетки и ориентационное зависимости диэлектрической проницаемости, проведены расчеты ориентационной зависимости отражающей способности RФС и времени формирования фазосопряженного луча. По результатам расчетов, учитывая поглощение света и исключая потери отражения на гранях кристалла, показано, что при интенсивности излучения гелий-неонового лазера 0.3 Вт/см2 возможно достичь значения отражающей способности фазосопрягающего зеркала RФС ~ 0.35 при времени формирования фазоспряженного луча ~ 0.027 с.

Ключевые слова: кристаллы Sn2P2S6, фоторефрактивный эффект, фотоиндуцированное рассеивание света, динамическая голография, обращение волнового фронта.

Summary

Кеdyk I.V. Photoinduced space charge gratings in ferroelectric - semiconductor Sn2P2S6 crystals.- Manuscript.

Thesis for Candidate of science degree in physics and mathematics in speciality 01.04.10 - physics of semiconductors and insulators. - Uzhgorod National University, Uzhgorod, 2003.

The thesis is dedicated to investigation of the space-charge gratings of the Sn2P2S6 crystals obtained by the different methods, and possibilities of use these crystals in image optical processing systems. A number of photorefractive (PR) and electro-physical parameters of Sn2P2S6 crystals were defined using a holographic method.

Dynamic of formation, spatial distribution, orientation and polarization properties of photoinduced light scattering (PLS) were studied in the samples of modified Sn2P2S6 crystals by the terms of growth.

Using dynamic features of the PLS formation in Sn2P2S6 crystal, modified by growth conditions, optical one-beam novelty filter was testified. It was shown that such a filter is characterized by high contrast and fast response.

On the base of nominally pure Sn2P2S6 crystal the scheme of self-pumped phase conjugate mirror (PC) was investigated. In the case of optimal geometry, the value of conjugation efficiency RPC ~ 0.2 at the value of conjugated beam formation time ~ 0.02 s has been obtained experimentally. It was shown the possibility of substantial improvement of these parameters by reduction of the reflection losses (up to RPC ~ 0.35).

Keywords: Sn2P2S6 crystals, photorefractive properties, photoinduced light scattering, optical processing systems, phase conjugation.

Размещено на Allbest.ru

...