Экспериментальное исследование управляемых дифракционных решеток на основе кристалла ниобата лития

• Автор: Паранин, Вячеслав Дмитриевич
• Шифр специальности: 01.04.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Самара
• Количество страниц: 108 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИЙ И МЕТОДОВ РАСЧЕТА УПРАВЛЯЕМЫХ ДИФРАКЦИОННЫХ ОПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ (ДОЭ)
1.1 Анализ вариантов реализации и методов снижения электрического напряжения управляемых ДОЭ
1.2 Анализ методов расчета характеристик управляемых ДОЭ
1.3 Анализ методов экспериментального исследования управляемых ДОЭ
1.4 Анализ методов улучшения функциональности управляемых ДОЭ
ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ
ГЛАВА 2. РАСЧЕТ ХАРАКТЕРИСТИК УПРАВЛЯЕМЫХ ДИФРАКЦИОННЫХ РЕШЕТОК
2.1 Методы формирования фазового пропускания управляемых дифракционных решеток
2.2 Анализ распределения электрического поля и фазового пропускания управляемых дифракционных решеток. Показатели электрооптической эффективности
2.3 Моделирование фазовых управляемых дифракционных решеток
2.4 Моделирование амплитудно-фазовых управляемых дифракционных решеток
ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ
ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ УПРАВЛЯЕМЫХ ДИФРАКЦИОННЫХ РЕШЕТОК
3.1 Исследование спектра пропускания составного элемента «поляризатор -электрооптический кристалл - анализатор»
3.2 Исследование влияния оптической связи электрооптического кристалла и резонатора полупроводникового лазера на спектр излучения
3.3 Оценка фазового пропускания управляемых дифракционных решеток на основе кристалла ниобата лития х-среза
3.4 Исследование диаграммы направленности управляемых дифракционных решеток
на основе кристалла ниобата лития х-среза
3.5 Исследование возникновения и развития оптическггх неоднородностей в
управляемых дифракционных решетках на основе кристалла ниобата пития х-среза
ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
ВВЕДЕНИЕ
Дифракционные оптические элементы (ДОЭ) используются для преобразования поперечно-модового состава [1-4], фокусировки излучения [5-9], в том числе субволновой [10-14], оптической манипуляции микрообъектами [15-19], На основе ДОЭ осуществляется амплитудное и хроматическое деление пучков [20-23], реализуется временная обработка импульсов излучения [24-26], коррекция хроматических аберраций оптических систем [27, 28]. Дифракционные элементы применяются для управления излучением лазерных технологических установок [29, 30]. Таким образом, ДОЭ, реализованные в виде микрорельефа на поверхности диэлектрических и проводящих подложек позволяют решить ряд измерительные, медицинские и технологические задачи.
Одним из направлений развития класса дифракционных элементов является реализация управляемых ДОЭ, характеристики которых изменяются при контролируемых внешних воздействиях. Так, использование электрооптических, магнитооптических, акустооптических и др. материалов позволяет изменять показатель преломления и период дифракционного элемента. Это приводит к изменению пропускания ДОЭ и диаграммы направленности излучения. Таким образом, появляется возможность применения управляемых ДОЭ в информационно-измерительных системах с волоконно-оптическими и атмосферными линиями связи; в устройствах лазерного сканирования пространства для навигационных применений, осуществления экологического мониторинга; в адаптивных оптических системах.
Управляемые дифракционные оптические элементы на основе линейного электрооптического эффекта способны обеспечивать отображение информации [31], отклонение излучения [32-37], модуляцию и коммутацию [38-42], спектральную фильтрацию [13, 14], фокусировку [45, 46], коррекцию волнового фронта [47, 48]. Управляемые ДОЭ выполняются на подложках из электрооптических материалов [31-59], на поверхности которых сформированы управляющие электроды. Приложение электрического напряжения изменяет показатель преломления, фазовое пропускание и диаграмму направленности излучения. Под фазовым пропусканием понимается зависимость фазы излучения на выходе элемента от электрического напряжения и поперечных координат.
Наибольшее внимание уделяется управляемым ДОЭ на основе кристалла ниобата лития (ЪНЧЬОз) [55-59]. Ниобат лития технологичен, химически устойчив, механически прочен, прозрачен в видидимом, ближнем и среднем ИК диапазонах. Кристалл обладает высоким быстродействием электрооптического эффекта по сравнению с жидкими кристаллами, лучшей термостойкостью и меньшим гистерезисом характеристик по сравнению с сегнетокерамиками.
Развитие управляемых ДОЭ на основе ниобата лития сдерживается рядом проблем.

Известные результаты расчета электрического поля в кристалле основаны на решении уравнении Лапласа [41-44]. Его использование справедливо для умеренных электрических полей. Известно, что приложение электрического поля, сравнимого с коэрцитивным [56], вызывает изменение структурных свойств (переполяризацию) электрооптических кристаллов. Кинетика этих процессов определяется структурными свойствами кристалла, напряженностью электрического поля, длительностью его приложения, температурой, освещенностью и др. Переполяризация изменяет чувствительность показателя преломления кристалла к напряженности поля. Особенно интересны процессы поляризации поверхностного слоя, ввиду отличия свойств поверхности и объема ниобата лития, что детально показано в работах [49, 50].
Следовательно, необходимо экспериментальное исследование фазового пропускания и диаграммы направленности управляемых ДОЭ на основе кристалла ниобата лития при напряженности электрического поля до коэрцитивного (около 2'107 В/м). Актуальность этих исследований заключается в определении механизмов формирования фазового пропускания и диаграммы направленности. Проведение исследований позволит установить границы применения линейных математических моделей, основанных на уравнении Лапласа и теории линейного электрооптического эффекта.
В опубликованных работах не проведено исследование произвольных распределений потенциалов электродов, что позволяет создавать различные диаграммы направленности. Отсутствует анализ влияния размеров электродов и толщины кристалла на распределение электрического поля. Следовательно, затрудняется понимание закономерностей формирования фазового пропускания и диаграммы направленности управляемых ДОЭ.
Практически отсутствуют методы оценки фазового пропускания управляемых ДОЭ, в т.ч. теоретическое обеспечение. Предложенная Х.Уагщ [51] оценка фазового пропускания по соотношению дифракционных порядков применима только к управляемым решеткам с чередующимися потенциалами в приближении равномерного фазового пропускания межэлектродных зазоров. Известный метод ограничен условиями существования линейного электрооптического эффекта и не учитывает электрооптических эффектов более высокого порядка, а также иных видов взаимодействия оптического излучения с веществом. Данный метод не позволяет оценивать фазовое пропускание отклоняющих и фокусирующих элементов, имеющие пилообразный или апериодический вид. Применение интерференционного метода осложняется дифракцией на краях электродов, недостаточной оптической и физической однородностью электроизоляционного слоя.
Целью работы являлся расчет и экспериментальное исследование управляемых дифракционных решеток на основе кристалла ниобата лития х-среза.
Для достижения данной цели потребовалось решение следующих задач:

продолжение таблицы 2.
Направление распространения излучения Используемые составляющие эл. поля в СКК Линейная поляризация излучения Ненулевые электрооптические коэффициенты Класс симметрии кристалла
Х2||У1 Ех2, Ей У222 Гзь Г43 ГЗЗ, Г4] Гзь Гзз, Г4| Гзь Гзз, г43 Гзь Г4Ь Г43 Гзз, Г41, Г43 Гзь Гзз, г41, Г43 1,ш 1,2,3,4,6 1 1 1 1
Кроме перечисленных методов возможно создание фазового пропускания вариацией размеров электродов и толщины кристалла, потенциалов управляющих электродов [107*, 108*]. Данный метод подробно рассмотрен в п.2.2 работы.
2.2 Анализ распределения электрического поля и фазового пропускания управляемых дифракционных решеток. Показатели электрооптической эффективности
Метод расчета электрического поля в ЭОК должен обеспечивать выполнение задач:
1 Расчет должен производиться для одноосных анизотропных ЭОК с ех=в^фе2.
2 Расчет должен производиться для нелинейных ЭОК с е=е(Ех, Еу, Ег).
3 Расчет должен производиться для многоэлементной конструкции управляемых дифракционных решеток, включающей диэлектрические слои и множественные электроды.
4 Расчет должен производиться для произвольного распределения потенциалов электродов.
5 Расчет должен производиться для произвольных размеров электродов, которые могут располагаться на одной или обеих поверхностях кристалла.
Как показывает анализ методов расчета электрических полей [109-118], для решения поставленных задач наиболее применимы численные методы. Их использование в настоящее время автоматизировано специализированным программным обеспечением. В данной работе использовалась программа Р1ехРБЕ, реализующая численное решение уравнения Лапласа. Алгоритм работы программы использует треугольную адаптивную сетку, частота которой зависит от распределения поля и заданной точности решения.
Исходное уравнение линейной двумерной задачи электростатики для электрооптического кристалла ниобата лития с Ехфег имеет вид: