ОТЧЁТ по ГПО
Нелинейно-оптические волноводные элементы на основе электрооптических и лазерных кристаллов
(СВЧ – 1502)
Выполнили студенты гр. 153:
_________Дмитриев Е.А.
_________Козлов С.Б.
ННаучный руководитель:
ассистент каф. СВЧиКР
_________ Рябченок В.Ю.
Содержание
Введение. 8
1 Теоретическая часть. 9
1.2 Сегнетоэлектрики. 9
1.3 Ниобат лития. 10
1.4 Фоторефрактивный эффект. 11
1.5 Методы оптического индуцирования волноводно оптических элементов и структур 12
1.5.1 Голографический метод. 12
1.5.2 Контактный метод. 13
1.5.3 Проекционный метод. 14
1.6 Пироэлектрический эффект. 14
2 Схема экспериментальной установки. 16
2.1 Результаты экспериментов. 16
2.2 Компенсация нелинейной дифракции интенсивного лазерного пучка в поглощающих кристаллах ниобата лития. 21
3 Пьезоэлектрический эффект. 24
3.1 Схема экспериментальной установки. 25
Заключение. 27
Список использованной литературы и источников. 28
Приложение А.. 29
Приложение Б. 31
Тема проекта: Нелинейно-оптические волноводные элементы на основе электрооптических и лазерных кристаллов. 31
Приложение В.. 33
Приложение Г. 34
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ» (ТУСУР)
Групповое проектное обучение
УТВЕРЖДАЮ
Зав. кафедрой СВЧиКР
___________________ Шарангович Сергей Николаевич
«___» _______________ 20__ г.
ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ
на выполнение инновационного проекта № СВЧиКР-1502
1. Основание для выполнения проекта: приказ от 16.01.2015 № 15ст
2. Направление реализации проекта: Оптоэлектроника
3. Наименование проекта: Нелинейно-оптические волноводные элементы на основе электрооптических и лазерных кристаллов
4. Наименование организации заказчика (заинтересованные структуры):
каф. СВЧиКР, ТУСУР; НОЦ "Нелинейная оптика, нанофотоника и лазерные технологии"
5. Цель проекта:
Теоретическое и экспериментальное исследование формирования фоторефрактивных структур в электрооптических кристаллах излучением высокой интенсивности
6. Показатели назначения (технические, научные, экономические и пр.):
Разработка теоретической модели и проведение математического моделирования воздействия интенсивного лазерного излучения на электрооптические кристаллы для выполнения фундаментальных и прикладных НИР в области фотоники, оптической связи и хранения информации, для учебных целей в рамках ГПО, НИРС, выполнения лабораторных работ по специальности «Физика и техника оптической связи», направлению бакалавриата «Оптические сети и системы связи», дипломного проектирования.
7. Основные характеристики:
Фоторефрактивные волноводные структуры, имеющие величину дифракционной эффективности 20-50%, сформированные в легированных и нелегированных кристаллах ниобата лития с ориентацией оптической оси Z,X интенсивным лазерным излучением длинной волны 532 нм и мощностью 1-50 мВт
8. Исходные данные для проектирования:
- H. Steigerwald. Influence of heat and UV light on the coercive field of lithium niobate crystals /F. von Cube F. Luedtke V. Dierolf K. Buse. //.: Springer Verlag. - 2010. - P 5.
- V.Ya. Shur. Periodic Domain Patterning in Lithium Niobate /R.G.Batchko, E.L. Rumyantsev, G.D.Miller, M.M.Fejer and R.L.Byer//.: NJ IEEE. - 1999. P 399-406.
- V.Ya. Shur, E.L. Rumyantsev / Kinetics of ferroelectric domain structure: retardation effects /.:Ferroelectrics. - 1997. - vol.191.- P 319-333.
9. Источники финансирования и материального обеспечения проекта:
Госбюджет
10. Руководитель проекта: Рябченок В.Ю. ассистент
11. Ответственный исполнитель проекта:
Дмитриев Евгений
Члены проектной группы:
Дмитриев Евгений гр. 153
Козлов Сергей гр. 153
12. Консультант:
13. Место выполнения проекта (лаборатория ГПО, СКБ, НИИ, бизнес-инкубатор и т.д.): 329б
14. Календарный план выполнения проекта
Состав и содержание работ по созданию (развитию) объекта разработки и вводу в эксплуатацию
| № этапа | Наименование этапа | Содержание работы | Сроки выполнения | Чем заканчивается этап | |
| Начало | Окончание | ||||
| Изучение основ теории оптических волноводов, методик волноводно-оптических экспериментов | Изучение теории оптических волноводов. Изучение методов формирования волноводных структур и экспериментальное закрепление полученных знаний. | 09.02.2015 | 31.05.2015 | 1. Аналитический обзор по методам формирования оптических волноводов в электрооптических кристаллах. 2. Аналитический обзор по нелинейно-оптическим эффектам в волноводно-оптических системах. | |
| Построение математической модели изменения поляризации в оптически прозрачных сегнетоэлектриках | Построение математической модели взаимодействия интенсивного лазерного излучения с оптическими кристаллами. Численное моделирование поляризации доменных структур в ниобате лития | 01.09.2015 | 31.12.2015 | 1.Аналитический обзор характеристик сегнетоэлектриков. 2.Математическая модель поляризации доменных структур под действием лазерного излучения в оптически прозрачных сегнетоэлектриках | |
| Экспериментальное исследование процесса переполяризации доменных структур лазерным излучением | Экспериментальные исследования схемы поляризации доменных структур лазерным излучением в ниобате лития | 10.02.2016 | 31.05.2016 | Характеристики кинетики переполяризации доменных структур лазерным излучением | |
| Экспериментальное исследование по формированию волноводных структур в кристалле ниобата лития под действием высокоинтенсивного лазерного излучения | Экспериментальное исследование по формированию волноводных структур в кристалле ниобата лития под действием высокоинтенсивного лазерного излучения | 01.09.2016 | 31.12.2016 | Обработка экспериментальных данных по формированию волноводных структур. Анализ полученных результатов. |
| Руководитель проекта: ____________ Рябченок В.Ю. «____» ______________ 20___ г. | Члены проектной группы: _____ Дмитриев Евгений _____ Козлов Сергей «____» ______________ 20___ г. |
РЕФЕРАТ
Курсовая работа с38., рисунков 16, таблицы 2.
Нелинейно-оптические волноводные элементы на основе электрооптических и лазерных кристаллов
Цель проекта: Теоретическое и экспериментальное исследование формирования фоторефрактивных структур в электрооптических кристаллах излучением высокой интенсивности.
Отчет по ГПО выполнен в текстовом редакторе Microsoft Word 2010.
Введение
Целью теоретическое и экспериментальное исследование формирования фоторефрактивных структур в электрооптических кристаллах излучением высокой интенсивности.
Фоторефрактивный эффект (ФРЭ), или эффект фоторефракции, заключается в изменении показателя преломления диэлектрических или полупроводниковых материалов под действием света [1].
Ниобат лития - синтетический кристалл, кристаллизуется в дитригонально-пирамидальном классе ромбоэдрической сингонии. Ниобат лития не растворяется в воде, не разлагается при высоких температурах, отличается высокой механической прочностью [1].
Исследование влияния пироэлектрического эффекта на кристалл ниобата лития.
Теоретическая часть
Сегнетоэлектрики
Сегнетоэлектрики кристаллические диэлектрики (полупроводники), обладающие в определённом диапазоне температур спонтанной поляризацией, которая существенно изменяется под влиянием внеш. воздействий. Структуру сегнетоэлектриков можно представить как результат фазового перехода кристалла с искажением структуры (понижением симметрии) из неполярной структуры (параэлектрической фазы) в полярную (сегнетоэлектрическую фазу). В большинстве случаев это искажение структуры такое же, как и при воздействии электрического поля на кристалл в неполярной (параэлектрическую) фазе. Такие сегнетоэлектрики называются собственными, а искажение неполярной структуры связано с появлением спонтанной электрической поляризации. В ряде сегнетоэлектрическая поляризация возникает как вторичный эффект, сопровождающий перестройку структуры, которая не связана непосредственно с поляризацией и не может быть вызвана электрическим полем. Такие сегнетоэлектрики называется несобственными.
Как правило, наблюдается фазовый переход непосредственно между сегнето - и параэлектрической (более симметричной) фазами. Однако есть кристаллы, в которых между этими фазами осуществляется промежуточная фаза с особыми свойствами - т. н. несоразмерная фаза.
Особенностью всех сегнетоэлектриков является относительная близость структур пара - и сегнетоэлектрических фаз. Изменения средних положений ионов при возникновении спонтанной поляризации обычно гораздо меньше, чем межионные расстояния. Поэтому спонтанная поляризация сегнетоэлектриков легко изменяется под влиянием внешних воздействий - электрических полей, упругих напряжений, изменений температуры и др. С этим связаны весьма высокие (по сравнению с обычными диэлектриками) значения диэлектрической проницаемости, пьезоэлектрических и пироэлектрических постоянных. Сегнетоэлектрические свойства были впервые обнаружены у кристаллов сегнетовой соли KNaC4H4O6*4H2O (1921), а затем у дигидрофосфата калия КН2РО4 (1935). Интенсивные исследования сегнетоэлектриков начались в 1945, когда были обнаружены сегнетоэлектрические свойства керамики ВаТiO3 - родоначальника обширного семейства сегнетоэлектриков кислородно-октаэдрического типа. В 60-х гг. начались исследования несобственных сегнетоэлектриков, в середине 70-х гг.- сегнетоэлектрики с несоразмерной фазой. К 1990 известно несколько сотен сегнетоэлектриков [3].
1.3 Ниобат лития
Ниобат лития (LiNbO3) — химическое соединение, смешанный оксид ниобия лития, бесцветные кристаллы с ромбоэдрической структурой. Ниобат лития не растворяется в воде, не разлагается при высоких температурах, отличается высокой механической прочностью. По электрическим свойствам он представляет собой сегнетоэлектрик с температурой Кюри около 1200 градусов Цельсия. Благодаря своим высоким пьезоэлектрическим и механическим свойствам, в том числе и высокой добротности, ниобат лития является перспективным материалом для изготовления преобразователей различного назначения. Тонкие (толщиной около одного микрометра) пленки ниобата лития, получаемые катодным распылением в вакууме, представляют собой ориентированные поликристаллические текстуры, которые могут быть использованы в качестве излучателей и приемников ультразвуковых колебаний *СВЧ – диапазона [2].
Кристалл ниобата лития характеризуется достаточно сильной анизотропией различных физических свойств. В проводимых экспериментах это проявляется в “анизотропии” деформации распределения интенсивности в световом пучке при фоторефрактивном самовоздействии. Основные изменения этого распределения наблюдаются в направлении оптической оси кристалла. Это обусловлено, в основном, двумя факторами. Во – первых, основным механизмом фоторефракции в ниобате лития, легированном железом, является фотовольтаический эффект. При распространении света в направлении, перпендикулярном оптической оси, величина поля пространственного электрического заряда, наведенного в кристалле вследствие фоторефракции, максимальна в направлении оптической оси. Во – вторых, вследствие анизотропии электрооптического эффекта, изменения показателя преломления кристалла, обусловленные наведенным полем пространственного заряда еsc, различны для световых волн обыкновенной и необыкновенной поляризации. Для обыкновенной волны и составляющей поля еsc = E3 вдоль оптической оси:
, а для необыкновенной 
Поскольку электрооптические коэффициенты 
и 
для ниобата лития отличаются более, чем в 3 раза ( =9,6⋅ 
см/В; 
=30,9⋅ см/В), то и величина наведенного изменения показателя преломления для необыкновенной волны оказывается значительно больше, чем для обыкновенной. Свидетельством этого является значительное различие в искажениях профилей световых пучков с обыкновенной и необыкновенной поляризацией, наблюдаемое при проведении эксперимента [7].
Фоторефрактивный эффект
Фоторефрактивный эффект (ФРЭ) или эффект фоторефракции заключается в изменении показателя преломления диэлектрических или полупроводниковых материалов под действием света. Впервые он был обнаружен в 1965 году в электрооптических кристаллах (в ниобате лития) при проведении экспериментов в области нелинейной оптики. В подобных кристаллах с течением времени наблюдался эффект искажения пространственной структуры световых пучков, и значительно возрастала интенсивность рассеяния излучения. Было ясно, что причиной данных явлений служили индуцированные световым полем в кристалле оптические неоднородности. Сначала данный эффект рассматривался как паразитное явление, что послужило поводом для относящегося к нему термина “optical damage” – “оптическое повреждение”. Затем было выявлено, что эффект наведенных оптических неоднородностей обладает свойством реверсивности, поскольку оптическая однородность кристаллов восстанавливалась в результате нагревания до температуры около 170°С либо их экспозиции в течение некоторого времени при однородном освещении. Такая реверсивность указывала на возможность использования эффекта фоторефракции в качестве механизма голографической записи в кристаллах ниобата лития и некоторых других электрооптических кристаллах. Дальнейшие исследования показали, что фоторефрактивный эффект проявляется, если в рассматриваемой среде развиваются следующие элементарные процессы [6].
1. Фотовозбуждение свободных носителей электрического заряда с донорных примесных центров в запрещенной зоне под действием света, что приводит к появлению электронов в зоне проводимости, либо фотовозбуждения валентных электронов с их захватом на примесные акцепторные уровни, что приводит к появлению дырок в валентной зоне. Для излучения ультрафиолетового диапазона возможны также прямые межзонные переходы электронов вследствие фото-ионизации.
2. Пространственное перераспределение носителей заряда вследствие тепловой диффузии, либо их дрейфа в приложенном к кристаллу внешнем электрическом поле. Дрейф носителей может быть обусловлен также фотогальваническим (фотовольтаическим) эффектом, который ранее ассоциировался с наличием в кристалле неких внутренних электрических полей.
3. Захват носителей заряда в неосвещенных областях кристалла ловушками (в качестве которых могут выступать, например, ионизированные донорные центры) и формирование, вследствие этого, неоднородного поля пространственного электрического заряда sc.
4. Модуляция показателя преломления кристалла полем sc вследствие линейного электрооптического эффекта.
1.5 Методы оптического индуцирования волноводно оптических элементов и структур
Голографический метод
Суть метода – интерференция двух пучков на поверхности образца, вследствие чего образуются минимумы и максимумы светового поля. Под действием поля проявляется фоторефрактивный эффект – изменяется показатель преломления. Таким образом, в объеме образца формируется периодическая дифракционная структура. Наведение фоторефрактивной решетки объясняется пространственным распределением интенсивности. Период решетки задается углом падения θ и длиной волны излучения. Векторная диаграмма изображена на рисунке 1.2 [8].
Рисунок 1.1 - Интерпретация двулучевой записи
Рисунок 1.2 - Векторная диаграмма для двухволнового взаимодействия света
1.5.2 Контактный метод
Периодические и непериодические канальные волноводные структуры могут индуцироваться с помощью когерентного либо некогерентного излучения и амплитудных транспарантов, размещенных на поверхности волновода. При освещении транспаранта дифракционные эффекты проявляются на расстояниях, превышающих толщину волноводного слоя, составляющую, как правило, единицы микрометров. Таким образом, топология индуцируемых в планарном волноводе канальных структур определяется топологией транспаранта.
Одномерные непериодические фоторефрактивные решетки (одномерность означает изменение коэффициента преломления вдоль одной координаты) могут создаваться в фоторефрактивных кристаллах с использованием однопучковой оптической схемы, в которой топология фоторефрактивной решетки определяется амплитудным транспарантом. Голографический метод неприменим в случае фоторефрактивных решеток в объемных образцах, особенно с заметным оптическим поглощением [7].
Основными достоинствами однолучевых схем с амплитудным транспарантом являются возможности:
· получения профилей показателя преломления волноводных элементов близких к ступенчатому;
· создания одномерных фоторефрактивных решеток с непериодической топологией, задаваемой структурой амплитудного транспаранта и распределением интенсивности светового пучка;
· индуцирование фоторефрактивных решеток в образцах с заметным поглощением света, если направления распространения света на этапах формирования фоторефрактивной решетки и их исследования ортогональны.
Рисунок 1.3 - Однолучевая схема с амплитудным транспарантом
Проекционный метод
Проекционный метод заключается в формировании изображения амплитудного транспаранта на фоточувствительной поверхности или в объеме среды с помощью оптической системы, позволяющей масштабировать размеры изображения. Этот метод обладает большей гибкостью в сравнении с контактным и голографическим. Он позволяет формировать в фоточувствительной среде как периодические, так и непериодические волноводные структуры с возможностью варьирования характерных размеров их элементов, используя один и тот же амплитудный транспарант. На рисунке 1.4 приведена схема эксперимента для проекционного формирования фоторефрактивной решетки. В данном случае источником излучения является лазер. Коллиматором лазерный пучок расширяется до нужного диаметра (по уровню половинной интенсивности) для однородного освещения амплитудного транспаранта.
Рисунок 1.4 - Схема проекционного индуцирования фоторефрактивной решетки:
1 – лазер; 2 – коллиматор; 3 – амплитудный транспарант; 4 – цилиндрическая линза; 5 – образец.
Изображение нужной структуры с помощью цилиндрической линзы проецируется на поверхность образца с необходимым коэффициентом масштабирования, что достигается изменением расстояния между линзой и плоскостью транспаранта. Цилиндрическая линза позволяет масштабировать изображение транспаранта в направлении вектора дифракционных структур, сохраняя его размер в направлении вдоль их элементов.