Автоматизация измерений фоторефрактивних свойств кристаллов типа Sn2P2S6 Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 535.42

Автоматизация измерений фоторефрактивних свойств кристаллов типа Sn2?2S6 Т.В. Чутора, О.О. Грабар

Ужгородский национальный университет, вул. Підгірна, 46, Ужгород, 88000

E-mail: al [email protected]

UDC 535.42

Automation of measurements of the photorefractive properties in Sn2P2S6 type crystals T. Chutora, A. Grabar

Uzhhorod National University, Pidgirna Str., 46, Uzhhorod, 88000

В работе описана компьютеризированная экспериментальная схема для исследования динамики формирования объемных голограмм на основе фоторефрактивного эффекта в модифицированных кристаллах Sn2P2S6 и приводятся полученные с ее помощью результаты. Характер временных зависимостей двухволновых взаимодействий свидетельствует о сложном характере формирования фотоиндуцированного пространственного заряда и существенную компенсацию, вероятно обусловленную носителями заряда противоположного знака.

Ключевые слова: Фоторефрактивный эффект, двухволновое взаимодействие, Sn2P2S6.

In the work is described a computerized experimental scheme for measuring the dynamics of formation of the volume holograms based on the photorefractive effect in the modified S^P2S6 crystals, as well as some obtained results. Observed time variation of the two-wave mixing gain indicates on a complex character of the photoinduced space charge formation and significant compensation, probably determined by the charge carriers of opposite sign.

Key words: photorefractive effect, two-wave mixing, Sn2P2S6.

Введение

Фоторефрактивный (ФР) эффект, который заключается в индуцированном светом изменении показателя преломления среды, находит применение в устройствах динамической голографии, в частности в схемах фазового сопряжения лазерного излучения, динамической интерферометрии, пространственной фильтрации лазерных лучей и т.п. [1,2] . Особенностью ФР свойств кристаллов Sn2P2S6 является их фоточувствительность в красной и ближней ИК области спектра, а также их сравнительно высокое быстродействие (типичное время ФР отклика составляет величину порядка 10-210-3с [2,3]), что важно для приложений в таких отраслях как телекоммуникации и биомедицинская диагностика. Возникновение ФР эффекта в Sn2P2S6 связано с формированием пространственного заряда, который вследствие линейного электрооптического эффекта вызывает изменения показателя преломления. Поскольку возникновение неоднородного пространственного заряда в кристаллах Sn2P2S6 обусловлено диффузией неравновесных носителей заряда [2], решетка показателя преломления смещена по фазе на четверть периода относительно интерференционной картины. Дифракция взаимодействующих лучей на такой нелокальной решетке приводит к стационарному энергообмену между взаимодействующими пучками, описывается соотношением:

.(d) .(0)

Тїї) = жехР(ГЮ (1)

где IS(0) и IR(0) - интенсивности сигнального (S) и опорного (R) пучков до взаимодействия, IS(d) и IR(d) - соответственно после взаимодействия, Г-коэффициент энергообмена, d-толщина образца. Коэффициент энергообмена Г пропорционален амплитуде фазовой решетки, и может быть определен путем измерения интенсивностей сигнального луча при включенном и выключенном опорном пучке.

Целью данной работы является модернизация методики исследования динамических характеристик ФР эффекта в кристаллах типа Sn2P2S6 путем измерения временных зависимостей коэффициента энергообмена Г.

Методика эксперимента

Для измерения ФР параметров кристаллов использовалась стандартная голографическая схема, показанная на рис. 1.

1

Рис. 1. Экспериментальная схема: 1 - He-Ne лазер ЛГН-215, 2 - линза или телескоп (расширитель пучка), 3-делитель луча, 4 и 4' - зеркала, 5 - заслонка, 6 -образец, 7 - фотоприемник, 8 - блок управления та регистрации, управляемый компьютером.

Два взаимно когерентных луча He -Ne лазера с длиной волны 633 нм (сигнальный и опорный), разделенные с помощью оптического делителя с отношением интенсивностей 1:100, пересекались в объеме образца. Образцы Sn2P2S6 изготавливались в форме параллелепипедов с типичными размерами x*y*z = 4*5*2 мм3 с полированными гранями, перпендикулярными к оси Z. (Выбор осей является стандартным для данных материалов и соответствует использованному в [2,3]). При этом направление волнового вектора ФР решетки лежит в плоскости XZ и направлено вдоль полярной оси X. Интенсивности лучей регулировались с помощью светофильтров (не показаны на рисунке). Для формирования пучка использовалась линза или расширитель пучка (телескоп). Интенсивность сигнального пучка вне кристалла измерялась кремниевым фотодиодом, подключенным ко входу аналого-цифрового преобразователя (АЦП) модели USB - 1208FS. Регистрация данных, управление процессом измерений и обработка результатов осуществлялись с помощью компьютера и управляющей программы в среде LabVIEW (рис 2).

а) б)

Рис. 2. Вид внешней панели программы управления экспериментальной установкой для измерения динамики двухволнового взаимодействия (а) и блок-диаграмма алгоритма математических расчетов в среде программирования LabVIEW (б).

С помощью описанной выше методики и ее автоматизации были получены временные зависимости коэффициента двухволнового взаимодействия, которые приведены на рис 3 (а, б, в).

t.s

t.c

Рис. 3. Временные зависимости коэффициента двохволнового взаимодействия, измеренные в кристаллах 8п2Р28б:Л§(а), Си(б), Мп(в), на длине волны лазерного излучения X = 633 нм с мощностью I = 50 мВт. Точки - эксперимент, линии -аппроксимация выражением (2).

Полученные результаты свидетельствуют о сложном характере и существенных различиях динамики двухволнового взаимодействия в кристаллах с различными примесями, что обусловлено различным влиянием примесных носителей заряда на формирование ФР решеток. Полученные

кривые временных зависимостей r(t) хорошо аппроксимируются

зависимостями вида:

Г (t) = 1ln^ = A1 У J d is(0) 1

1 - exp (-^)]+Л2[і-exp (-;!)], (2)

где Аі, А2 - амплитуды решеток, обусловленных различными типами фотоиндуцированных носителей заряда, а т1 и т2 - соответствующие характерные времена их формирования. Как видно из рис.За и 3б, легирование Ag и Cu, которое вероятно повышает концентрацию электронов, приводит к относительно медленной (с характерными временами порядка 1 с) компенсации "первичных" решеток пространственного заряда, обусловленных фотоиндуцированными дырками за время порядка 3-5 мс. В то же время легирование Mn приводит к существенному замедлению ФР отклика без проявлений компенсации пространственного заряда, что может свидетельствовать о наличии "быстрых и "медленных" фотоиндуцированных носителей р-типа в данных кристаллах. Полученные результаты свидетельствуют о сложном характере процессов переноса фотоиндуцированных носителей заряда, возможности их исследования с использованием голографической методики, а также о широких возможностях варьирования динамических и амплитудных характеристик ФР голограмм в кристаллах Sn2P2S6 путем легирования различными элементами.

Выводы

Разработана компьютеризированная схема для исследования динамики двухволнового взаимодействия в фоторефрактивных кристаллах. Проведенные измерения динамики двухволнового взаимодействия в кристаллах Sn2P2S6 с различными примесями (Ag, Cu, Mn) свидетельствуют о возможности использования голографической методики для исследования особенностей процессов формирования решеток пространственного заряда в ФР кристаллах.

Литература

1. Высочанский Ю.М, Сливка В.Ю. Сегнетоэлектрики семейства Sn2P2S6. Свойства в окрестности точки Лифшица. - Львов: Ориана-Нова, 1994.- 246 с.

2. Grabar A. A, Jazbinsek M, Shumelyuk A. N, Vysochanskii Yu. M, Montemezzani

G. and Gunter P. Photorefractive Effects in S^P2S6// In: Photorefractive Materials and Their Applications. V.2 - Materials, Springer Science+Business Media LCC, New York, USA. - 2007. - P.327-362.

3. Боднар С.С, Чутора Т.В, Стойка І.М, Грабар О.О. Динаміка фотореф-рактивного ефекту в кристалах Sn2P2S6:Ag// Науковий вісник Ужгородського університету. Серія Фізика. - 2013. - №33. - С.33-39.