9.10. ФОТОРЕФР АКТИВНЫЙ ЭФФЕКТ В КИСЛОРОДНО-ОКТАЭДРИЧЕСКИХ КРИСТАЛЛАХ

9.10.1. ОСНОВНЫЕ ПРИЧИНЫ ФОТОРЕФРАКЦИИ

Явление фоторефракции состоит в изменении показателя преломления кристаллов под действием света. Под фоторефракцией или оптическим повреждением (optical damage) понимаются обратимые изменения кристаллов в отличие от необратимого лазерного повреждения (laser induced damage). Многочисленными экспериментами показано, что фоторефракция (ФР) в кислородно-октаэдрических (КО) сегнетоэлектриках определяется электрооптическим эффектом, вызванным полем пространственного заряда. Поэтому ФР наиболее ярко проявляется в кристаллах, обладающих сильным электрооптическим эффектом. Наблюдать ФР можно при освещении кристалла, находящегося между двумя поляроидами так, что оптическая ось кристалла перпендикулярна оси системы. В результате ФР в зоне освещения кристалла лазерным лучом возникает наведенное двупреломление, приводящее к расплыванию луча. Эффект ФР играет двоякую роль: ФР может быть полезна и используется для голографической записи информации; в то же время ФР определяет нестабильность кристаллов при их применении в нелинейной и электрооптике,

Явление фоторефракции обнаружено в ряде кристаллов. Наиболее полно этот эффект изучен в таких кислородно-октаэдрических кристаллах, как . Обнаруживается ФР и в ряде других кристаллов, например в германатах и силикатах висмута, пъезополупроводниках типа с примесями. Практическое применение ФР эффекта сдерживается относительно невысокой фоторефрактивной чувствительностью кристаллов, в которых этот эффект обнаружен. Большее практическое значение приобрела проблема подавления ФР в тех кристаллах, в которых этот эффект является вредным, снижающим оптическую стабильность кристаллических элементов. Для выяснения возможности повышения ФР или, наоборот, ее подавления необходимо понимание механизма этого эффекта, и в первую очередь механизма возникновения пространственного заряда.

Рис. 9.47. Оптическая схема для изучения фоторефрактивного эффекта поляризационным методом: 1 - гелий-неоновый лазер, используемый для измерения ФР-эффекга; 2 - аргоновый лазер, используемый для оптического повреждения кристалла; 3 - поляризаторы; 4 - кристалл; 5 - кварцевый клик; 6 - полупрозрачное зеркало; 7 - четвертьволновая пластинка; 8 - зеркало

Для изучения ФР-эффекта используются два основных метода: поляризационно-оптический и голографический. В поляризационнооптическом методе измеряется наведенное двупреломление, возникающее в кристалле под действием света. Для измерения величины наведенного двупреломления применяется метод, основанный на компенсации оптической разности хода с помощью кварцевого клина. Оптическая схема, используемая в этом методе, показана на рис. 9.47. Кристалл располагается между скрещенными поляризаторами так, что ось ориентирована под 45° к плоскостям поляризации. Оптическая ось кварцевого клина параллельна оси Кристалл имеет возможность перемещаться в плоскости, нормальной оптической оси, что позволяет сканировать кристалл лазерным лучом. Наведенное двупреломление возникает за счет «засветки»

Рис. 9.48. Распределение наведенного двупреломления в кристалле вдоль полярной оси: а - изменение показателя преломления; б - распределение зарядов пластины

Рис. 9.49. Оптическая схема, используемая для записи голографической решетки в фоторефрактивных кристаллах: 1 - аргоновый лазер; 2 - призма Глана; 3 - зеркала; 4 - кристалл; 5 - фотоприемиики

относительно малой области кристалла (доли миллиметра по апертуре) лазерным лучом, интенсивность которого достаточно высока, а длина волны достаточно мала для проявления фоторефракции в данном кристалле. Измерение фоторефракции проводится сканированием кристалла зондирующим лучом. Результат сканирования кристалла лучом Не - Ne лазера после наведения ФР показан на рис. 9.48.

Голографический метод заключается в исследовании интенсивности дифракции на голографических решетках, создаваемых с использованием фоторефрактивного эффекта. Дифракционная решетка в фоторефрактивным кристалле возникает при периодически неоднородном распределении интенсивности света, которая создается в результате взаимодействия двух оптических лучей - опорного и сигнального (рис. 9.49). При попадании в кристалл лучей и с волновыми векторами и длиной волны X так, что векторы составляют угол в кристалле возникает периодическое изменение интенсивности света

с периодом

Величина определяется соотношением интенсивностей опорного и сигнального лучей

Неоднородное распределение интенсивности света приводит к возникновению градиентов концентрации фотовозбужденных

(неравновесных) носителей и их направленной диффузии. Кроме того, неоднородная освещенность может приводить к появлению фотовольтаического тока. В результате периодическое распределение интенсивности света создает периодическое распределение объемного заряда и соответствующее электрическое поле. В электрооптическом кристалле это поле приводит к появлению периодического изменения т.е. к появлению фазовой дифракционной решетки. В этом случае сигнальный луч после прохождения через кристалл разделится на два

- основной распространяющийся в прежнем направлении, и дифрагированный распространяющийся в направлении опорного луча. Выключив опорный луч, можно наблюдать дифракцию сигнального луча на этой решетке в том направлении, в котором распространялся опорный. Дифракционная эффективность для сигнального луча определяется как

Исследуя зависимость от интенсивности и лучей и скорости появления дифракционной решетки под действием света, можно получить информацию о фоторефрактивных свойствах кристалла.