Фоторефрактивний ефект

1.2 Фоторефрактивний ефект

ФР ефект – це зворотня зміна показника заломлення Dn в об’ємі кристалу, як всередині світлового пучка, так і в прилеглих областях. Величина цієї зміни для деяких матеріалів досягає 10^-4 – 10^-3 (LiNbO₃, LiTaO₃), час пам’яті ефекту коливається в межах від мілісекунд (ВаТіO₃) до місяців (LiNbO₃) [3]. Цю зміну показника заломлення можна стерти шляхом нагріву, однорідного освітлення чи прикладанням сильного електричного поля.

В основному ФР ефект обумовлений наявністю дефектів, що приводять до виникнення в забороненій зоні додаткових рівнів, які виступають як донори або акцептори зарядів. При наявності світла носії заряду (електрони, дірки або ті й інші разом) збуджуються у відповідну зону, де вони дрейфують, дифундують, і знову захоплюються домішками [1,3]. Іншим можливим механiзмом переносу являється активоване свiтлом тунелювання, тобто перескакування iз пастки на пастку.

Яким би не був транспортний механізм, якщо ж кристал опромiнюється неперервно, то в кiнцi – кiнцiв фотоіндуковані носії заряду перерозподiляються у відповідності з розподілом інтенсивності світлового поля. Коли свiтло виключається, то заряди частково залишаються локалізованими (якщо в темнотi кристал є добрим дiелектриком), тобто локалiзованi носiї заряду “запам’ятовують” свiтлову картину.

Iснують деякi загальнi умови, необхiднi для спостереження ФР ефекту: по-перше, для одержання помiтної величини в дослiджуваних кристалах повиннi бути досить великi електрооптичнi коефiцiєнти. Оскiльки ефект має об’ємний характер, необхiдно, щоб довжина хвилi фотозбудження розташовувалась достатньо далеко вiд краю власного поглинання. Тому при дослiдженнi ФР ефекту, його спостерiгають, як правило, в досить широкозонних матерiалах; в якості джерела освiтлення використовують, найчастіше, Не-Nе- (0.6328 мкм) або Ar - (0.448 мкм) лазери. ФР ефект не потребує когерентностi збуджуючого свiтла, а основною умовою помiтної змiни dn являється достатньо висока енергiя випромiнювання. Значення dn залежить також вiд тривалостi експозицiї [1, 3].

Величина зміни показника заломлення під впливом електричного поля Е може бути визначена, використовуючи слідуюче співвідношення:

  (1.1)

де r_ji – електрооптичний коефіцієнт.

Запис голограми здійснюється внаслідок об’ємної модуляції Dn, яка відповідає модуляції інтерференційної картини.

Рис.1.1 Схематичне зображення виникнення зсуву ФР гратки f відносно смуг інтерференційної картини при дифузійному механізмі формування гратки.

На рисунку: I(x), r(x), E_SC(x), Dn(x) – просторові розподіли інтенсивності світлового поля інтерференційної картини, фотоіндукованого заряду, електричного поля та зміни показника заломлення, відповідно; f- фазовий зсув між смугами інтерференційної картини та граткою показника заломлення Dn.

Таким чином, інтерференційна картина у фоторефрактивному середовищі приводить до появи світлоіндукованого поля просторового заряду Е_sc, яке може досягати декількох кВ/см². Домінування дифузії в цьому процесі приводить до фазового зсуву просторового розподілу поля Е_sc відносно інтерференційної картини, з максимумами в точках, де градієнт заряду максимальний.

1.3 Умови спостереження фоторефрактивного ефекту

Необхідними умовами для фоторефрактивного ефекту в електрооптичних кристалах є:

1. Фоточутливість на даній довжині хвилі.

2. Існування центрів локалізації заряду.

3. Достатньо висока рухливість фотозбуджених носіїв.

Так, в LiNbO₃, легованому залізом, стани Fe²⁺ є заповненими електронними пастками, а Fe³⁺ - іонізованими донорами, і поля просторових зарядів виникають завдяки просторовому перерозподілу двох-валентних станів.

Величини світлової енергії, необхідні для збудження фоторефракції, мають порядок 1÷10² Дж/см², тобто можуть бути забезпечені звичайними лазерними джерелами. Спостерігається значна відмінність величини фоторефракції в різних матеріалах. В одному й тому ж матеріалі ефект суттєво залежить від довжини хвилі збуджуючого світла і температури, а також від таких факторів, як якість кристалів, характер і концентрація домішок. Відзначалася залежність величини фоторефракції від попереднього опромінення рентгенівськими або гаммапроменями.

Фоторефрактивний ефект можна використовувати для оптичного запису інформації в твердому тілі. В залежності від вибору матеріалу таке середовище може бути або реверсивним, або володіти властивістю довготривалої пам’яті. З другого боку, в ряді випадків фоторефрактивний ефект може виявитися лімітуючим фактором для багатьох застосувань. Наприклад, при експлуатації електрооптичних і нелінійних оптичних пристроїв у ряді випадків необхідно обмежувати величину інтенсивності вхідного світлового пучка, оскільки кристали, які використовуються в цих пристроях, при великих інтенсивностях світла можуть виявляти фоторефрактивний ефект, що приводить до нестійкості робочих характеристик.