CC BY
35
УДК 535
З.Е. Алексеева, Л.Б. Воробьева СГГ А, Новосибирск
ВЛИЯНИЕ ДЕФЕКТОВ ПОВЕРХНОСТИ ПЛАСТИНЫ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО КРИСТАЛЛА НА ДИФРАКЦИОННУЮ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ЭЛЕМЕНТА ОПТИЧЕСКОЙ ПАМЯТИ
Изучено влияние дефектов формы поверхности элементов оптической памяти на основе ниобата лития на эффективность голографической записи информации. Получено простое соотношение между ошибками формы поверхности, толщиной пластины и допустимой величиной колебания дифракционной эффективности.
Z.E. Alekseeva, L.B. Vorobyeva
Siberian State Academy of Geodesy (SSGA)
10 Plakhotnogo Ul., Novosibirsk, 630108, Russian Federation
INFLUENCE OF SEGNETOELECTRIC CRYSTAL PLATE DEFECTS ON THE DIFFRACTION EFFICIENCY OF OPTICAL MEMORY ELEMENTS
The influence of the surface shape defects of the optical memory elements based on the lithium niobate on the effectiveness of data holographic recording was study.
The simple correlation between surface shape defects, thickness of the plate and the permissible size of fluctuations of the diffraction efficiency was obtained.
В качестве регистрирующей среды для голографической записи и хранения информации используются сегнетоэлектрические кристаллы, в частности ниобаты и танталаты щелочных металлов. Явление изменения показателя преломления под действием света в таких кристаллах вызвано электрооптическим эффектом. Одним из достоинств элементов оптической памяти на таких материалах является отсутствие эффекта усталости после множества циклов «запись-стирание». Однако эти кристаллы обладают и недостатками, в частности, низкой величиной голографической чувствительности. Как оптические изделия элементы памяти из сегнетоэлектрических кристаллов представляют собой квадратные пластины или диски диаметром от 10 до 40 мм и толщиной от сотен мкм до единиц мм. Отклонение от плоскостности пропускающей поверхности и рассеяние света в поверхностном слое монокристалла вследствие нарушения его кристаллической структуры являются, среди прочих других факторов, причиной снижения чувствительности к голографической записи информации.
Целью настоящей работы является исследование влияния качества обработки поверхности пластины из светочувствительного кристалла LiNbO3 на отношение сигнал-шум в восстановленных плоских волнах. В работе использовались пластины размером 10х10х0,1 мм, клиновидностью < 2'. Кристалл LiNbO3 выращен из расплава конгруэнтного состава и имеет степень легирования железом 0,15 мас.%. Отклонение формы реальной поверхности от
«идеальной» определяется погрешностью формы в интерференционных полосах с местными ошибками
Для выбора модели, описывающей механизм образования шумов голограммы, воспользуемся модовой теорией объемных пропускающих голограмм [1]. Считаем, что голограммы регистрируются двумя плоскими волнами и имеют пространственную частоту f = 1000 мм-1. Считывание голограммы производится в процессе записи одним из пучков, информация регистрируется в объеме кристаллической пластины толщиной менее 100 мкм. Применение критериев модовой теории позволяет оценить геометрические параметры записывающих и освещающих волн, для которых описание механизма преобразования световых полей голограммой можно производить и по методам более простой в расчетном плане теории Когельника [2]. Согласно [1] теория Когельника может быть использована при выполнении условия
ап=-----~ГЧ>Т/с08^
где ац - продольный размер неоднородностей записывающих волн; Хв -длина волны в вакууме; АО - расходимость записывающей и
восстанавливающей волн; п - средний показатель преломления голограммы; Т - толщина голограммы; 00 - брэгговский угол. В противном случае, при
«| I < у/^,0 необходимо использовать в расчетах аппарат модовой теории.
Для оценки влияния отклонения формы поверхности оптического элемента памяти на эффективность голографической записи воспользуемся критерием (1). Предположим, что при контроле световым пучком диаметром <1 наблюдается ошибка формы в ^ + АМ ^ интерференционных полос. Известно,
X -
что при этом величина геометрических искажений составляет Ф = ^ + АЛ' .
Характерный поперечный размер геометрических неоднородностей Дх
~ ^в
поверхности, для которых величина искажении достигает —, определим как
Ах = 2^ ^ ддг"’ а расходимость волн в объеме кристалла, соответственно, как Хв _21в^ + АЫ[
А© - — = —^(2)
Ах
Подставляя (2) в (1), находим условие применимости теории Когельника:
ХЛ2 Т (Ы + АЬГ)
ь >---или ----- <
соя 0
8%пХвТ
Для брэгговского угла в среде 0О = 30°, Хв = 0,5 мкм, Т= 100 мкм, п = 2,2
H + ANZ П1 -1 т *
находим ---------- = ОД мм . Таким образом, при диаметре пучка в единицы
d
миллиметров и величине «г + AN ^ до 10 интерференционных полос возможно применение модели Когельника.
Поскольку ошибки формы поверхности вызывают отклонение угла падения от угла Брэгга на величину А0, определяемую по формуле (2), то получить 100 % дифракционную эффективность при наличии ошибок формы поверхности невозможно. На основании [1] отклонение угла падения от угла Брэгга определяется как
А0 = ^6---, (3)
2%nT sinQ
где £— коэффициент пропорциональности.
Максимальная величина дифракционной эффективности п = 100 % достигается при £ = 0, а при £ = 2,7 п принимает нулевое значение. Подставляя (3) в (2) получим
</ + ДЛГ>-^-. (4)
^ 2шТ v 7
Подставляя в выражение (4) £, = 1, d = 3мм, п = 2,2, Г = 100 мкм, получим N + AN j= 2, что при £ = 1 соответствует уменьшению ц на 20 % [3]. Таким образом, для голографических элементов памяти на основе ниобата лития допустимая величина ошибки формы поверхности в + AN ^ интерференционных полос на диаметре пучка 3 мм определяется как
^ + ^^=217^-, где Т- толщина элемента, мкм, а £ - параметр,
определяемый [3] по допустимой величине изменения дифракционной эффективности.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Зельдович, Б.Я., Шкупов, В.В., Яковлева, Т.В. Теория объемных голограмм с наложенной записью. - Материалы сборника «Проблемы оптической голографии». - Л.: Наука, 1981. - с. 80-97.
2. Kogelnik, H. Coupled wave Theory for Thick Hologram Gratings. - Bell. Sist. Tehnic. J., 1969, v. 48, n. 9, p. 2909-2912.
3. Кольер, Р., Беркхар, Т., Лин, Л. Оптическая голография. - М.: Мир, 1973. - с. 686.
© З.Е. Алексеева, Л.Б. Воробьёва, 2010
