9.10.4. ФОТОРЕФРАКЦИЯ В ПРАКТИЧЕСКИ ВАЖНЫХ КРИСТАЛЛАХ

Как следует из сказанного, для получения значительного ФР-эффекта сегнетоэлектрик должен:

а) обладать свойствами, позволяющими эффективно проявляться по крайней мере одному из рассмотренных механизмов разделения заряда;

б) иметь достаточную концешрацию донорных центров, позволяющих с помощью фотовозбуждения достигать высокой концентрации неравновесных носителей;

в) иметь глубокие ловушки неравновесных носителей.

И доноры и ловушки обычно создаются одними и теми же примесями, находящимися в различных зарядовых состояниях, как, например, Для наибольшей эффективности ФР соотношение концентраций доноров и ловушек должно быть оптимальным Эти свойства материала определяют плотность объемного заряда и, следовательно, ФР эффективность, т.е. наведенное двупрело мление или дифракционную эффективность

Ниобат лития (HЛ)

Благодаря высоким электрооптическим свойствам и фоточувсгвительности, низкой темновой проводимости является одним из самых эффективных фоторефрактивных кристаллов. Для повышения фоторефракции используется примесь Концентрация примеси составляет (ат.). Присутствие примеси железа повышает фоторефракцию ниобата лития более чем на порядок. Величина возрастает с увеличением интенсивности света и стремится к насыщению при интенсивности

Изменение фоторефракции во времени хорошо описывается экспоненциальной зависимостью с характеристическим временем где - фотопроводимость. Измерение позволяет

оценивать фотопроводимость. Учитывая то, что запись и считывание голограмм и измерение фоторефракции поляризационным методом проводятся при различных интенсивностях света, измерение фотопроводимости при различных интенсивностях тоже приходится проводить различными методами: для определяется по кинетике записи голографических решеток, для из зависимости от времени стирания голограмм, а при из кинетики изменения измеряемого поляризационно-оптическим методом. Полученные тремя способами хорошо сшиваются между собой. Результаты измерения позволяют оценить фотопроводимость

Из-за низкой темновой проводимости время памяти фоторефракции в темноте для составляет сотни часов.

Низкая подвижность носителей заряда в делает пренебрежимо малым вклад диффузионных механизмов в фоторефракцию, так что основной причиной фоторефракции в является фотовольтаический эффект [123]. Константа Гласса для составляет см/Вт. Величина фотонапряжения и

Рис. 9.51. Зависимость фотонапряжения от мощности засветки Не - лазером кристаллов с различным содержанием (мол.) [150]

Рис. 9.52. Зависимость дифракционной эффективности от времени записи Не - Cd лазером для образцов различным содержанием - без примеси; (мол.) [150]

дифракционной эффективности, измеренной с помощью записи голографических решеток, возрастает для с ростом концентрации примеси (рис. 9.51 и рис. 9.52). Спектральная зависимость фоторефракции определяется спектральной зависимостью поглощения, которая для имеет максимум при мкм [149].

Ниобат бария-стронция (НБС)

Кристалл НБС благодаря большой величине электрооптического коэффициента тоже является одним из наиболее эффективных фоторефрактивных материалов. Важной характерной чертой НБС, относящейся и к другим кристаллам со структурой вольфрамовых бронз, является большое число структурных вакансий, что позволяет вводить в эти кристаллы значительные концентрации легирующих примесей без существенных искажений кристаллической решетки. Для размещения примесных катионов структура НБС располагает тремя различными по размеру местами (см. 9.1), что облегчает вхождение примеси. Так, растворимость хрома в НБС достигает (мол.) [137], несмотря на разницу ионных радиусов на месте которого располагается

Ионы - примеси, обычно используемые для повышения ФР свойств кристаллов НБС [137, 138]. Попытки использовать для этих целей ионы железа не привели к хорошим результатам, так как кристаллы НБС с обычно имели низкое оптическое качество [137], несмотря на то, что ионные радиусы очень близки.

Для выяснения механизма ФР в кристаллах НБС использовались и поляризационно-оптический и дифракционный методы. Фотовольтаическое поле наблюдалось в кристаллах НБС при относительно низких температурах (рис. 9.53). При повышении температуры до комнатной фотовольтаическое поле снижается до значений, меньших 10 В/см [139], тогда как величина поля, требующаяся для того, чтобы получить наблюдаемые величины наведенного составляет . Это дало основание полагать, что в кристаллах НБС фотовольтаический эффект не вносит большого вклада в фоторефракцию.

Значительное влияние на разделение неравновесных зарядов в НБС оказывает внутреннее («встроенное») поле которое возникает из-за неоднородности кристалла.

Рис. 9.53. Зависимость фотовольтаического поля в кристаллах НБС от температуры [139]

Рис. 9.54. Зависимость наведенного двупреломления от внешнего электрического поля в области наведенного двупреломления [139]

Размеры областей, в которых существует соответствуют размеру неоднородности, и при наличии макронеоднородносги эти области соизмеримы с размером кристалла. О существовании такого поля свидетельствует большая фотопамять НБС (наблюдается остаточная фотопроводимость и релаксация фототока при комнатной температуре проходит более чем за Проверить существование встроенного поля можно, измеряя зависимость от внешнего электрического поля Е (рис. 9.54). В действительности измеряется зависимость от и такая зависимость имеет минимум при При минимум на зависимости от Е, представленной на рис. 9.54, смещается от положения в положение Таким образом, используя зависимость от можно оценить величину Е, в кристалле. Как следует из рис. 9.54, величина , в НБС составляет несколько сотен вольт/см, что вполне обеспечивает наблюдаемую в этом кристалле фоторефракцию [139].

Исследование ФР эффективности кристаллов НБС с различной стехиометрией показывают, что наибольшей эффективностью обладают кристаллы НБС-60. Ниже приведены некоторые характеристики фоторефрактивного эффекта в НБС [138]:

Ниобат бария-натрия (НБН)

Запись голограмм [144, 145] и создание условий для генерации оптических волн в условиях фазового синхронизма [146] с использованием ФР эффекта возможны как в легированных, так и в чистых кристаллах НБН. Этот эффект в кристаллах НБН усиливается при легировании примесями При создании голографических решеток используется луч с волновым вектором, параллельным направлению и вектор дифракционной решетки, параллельный [001]. В этом

Рис. 9.55. Температурная зависимость генерации фазово-синхронного излучения типа на голографической решетке в НБН [147]

случае [147] наведенное двупреломление в кристалле с симметрией определяется как

При взаимодействии сигнального луча с голографической решеткой в условиях фазового синхронизма в НБН наблюдалась генерация излучения двух типов: первый проявляющийся только в момент действия излучения накачки, и второй сохраняющийся после выключения накачки в течение некоторого времени. Эти лучи различаются по температурной зависимости: интенсивность начинает падать при относительно низких температурах наоборот, проявляется после и спадает после (рис. 9.55). Предполагается, что различие в поведении и связано с тем, что формирование объемного заряда, приводящего к появлению дифракционной решетки в НБН, определяется двумя механизмами. Первый (низкотемпературный) - диффузионный механизм разделения зарядов в электронной подсистеме, второй (высокотемпературный) - разделения зарядов в результате диффузии в ионной подсистеме. Во втором случае дифракционная решетка формируется подвижными катионами (по-видимому ), которые движутся вдоль [001] по тетрагональным каналам в НБС.

Ниобат калия (НК)

По эффективности фоторефракции кристаллы ниобата калия сравнимы с НБС, но большая, чем у НБС однородность кристаллов

Рис. 9.56. Оптическая схема получения голографической решетки в кристаллах с использованием электрооптического коэффициента - вектор дифракции; и Р - сигнальный и опорный пучки соответственно

позволяет использовать эти кристаллы для получения широкоапертурных дифракционных решеток [141]. Для усиления фоторефрактивных свойств использовались примеси [142, 143], Та [141]. Ориентировка кристалла относительно опорного и сигнального лучей выбиралась так, чтобы в создании дифракционной решетки использовались электрооптические коэффициенты

Поскольку наибольший электрооптический коэффициент в то оптимальным является такое направление взаимодействующих лучей относительно осей кристалла, при котором эффективный электрооптический коэффициент определяется главным образом величиной Для этого используется свет необыкновенной поляризации, падающий на грань кристалла (рис. 9.56).

Эффективный электрооптический коэффициент, определяющий дифракцию на полученной в этом случае голографической решетке, определяется выражением

где - коэффициенты преломления по осям ;

— угол Брэгга;

- угол между вектором дифракционной решетки и осью с; - угол между гипотенузой угла и осью (см. рис. 9.56). Дифракционная эффективность определяется по формуле

где Е - поле объемного заряда.

Для кристалла при записи голограмм время отклика составляло 0,75 с для интенсивности опорного луча Заметная дифракционная решетка в возникает под действием излучения мощностью всего Вт [141].