![]() Главная страница Случайная страница КАТЕГОРИИ: АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника |
Фоторефрактивные среды
В настоящее время в технике записи и хранения оптической информации высокой плотности известны два основных направления развития: во-первых, уменьшение размера записываемого бита в однослойной среде и, во-вторых, запись информации послойно или постранично в объемной (3D) среде в виде книги или тома [30]. На фоне известных кристаллических фоторефрактивных сред таких, как ниобат лития и калия, многообещающими материалами для записи и хранения оптической информации являются фоторефрактивные полимеры (ФРП) на основе полиметилметакрилата (PMMA). Эти среды обладают великолепными возможностями для многократной записи/стирания оптической информации и имеют большие перспективы при промышленном производстве оптических DVD-RW и CD-RW дисков из-за низкой себестоимости [31]. На основе ФРП могут быть созданы объемные (многослойные) голографические фильтры для широкополосного частотного мультиплексирования (Wide-band Division Multiplexing, WDM) в системах оптической связи [32]. Запись оптической информации в нелинейной среде происходит в результате взаимодействия двух когерентных волн- опорной и сигнальной. Для этого среда должна обладать фоторефрактивным эффектом. Фоторефрактивный эффект (ФРЭ) как явление, в котором показатель преломления среды изменяется под действием интенсивности падающего света, известен с 1966 года. Изменение показателя преломления приводит к искажению волнового фронта световой волны в фоторефрактивной среде. Поэтому ФРЭ называется также ``Optical damage''. Ниже рассмотрим основные модели 2-х волнового взаимодействия в фоторефрактивной среде. Среди множества известных моделей, описывающих такое взаимодействие, особое признание получила модель Кухтарева- Винецкого [33]. Согласно этой модели фоторефрактивная среда должна содержать ловушки для электронов и дырок. Скорость генерации электронов с донорных уровней под действием света определяется, как
где Поле пространственного заряда
где Перейдем теперь к рассмотрению 2-х волнового взаимодействия в фоторефрактивной среде. Электрическое поле падающей оптической волны можно представить, как:
где A1 и A2 - амплитуды волн, Для определенности предположим, что волны поляризованы перпендикулярно плоскости падения (TE - волна или s - поляризация). Интенсивность суперпозиции волн или голограммы можно определить, как:
где Периодическая структура результирующего светового поля формирует, как уже было сказано, периодический профиль показателя преломления или ФРР: где n1 - показатель преломления среды под действием света [34];
n0 - показатель преломления в отсутствие света; n1 - показатель преломления среды под действием света; Полное электрическое поле волн в фоторефрактивной среде описывается волновым уравнением:
В приближении медленно меняющихся амплитуд:
где
где
![]() где Решение системы уравнений (3.7) имеет вид:
где Для случая отсутствия поглощения в среде (
Рассмотрим кинетику формирования ФРР. Скорость или постоянная времени процесса формирования ФРР является главной характеристикой для ряда практических приложений. Согласно модели Кухтарева- Винецкого время формирования ФРР складывается из времени протекания 4-х процессов: 1) фотовозбуждения носителей заряда; 2) транспорта; 3) захвата на ловушках; 4) эффекта Поккельса. Фоторефрактивный эффект является макроскопическим процессом и требует большого числа фотовозбужденных носителей заряда. Формирование периодического профиля показателя преломления ограничено по времени в основном скоростью генерации носителей заряда. Если предположить, что интенсивность света неограничена, то скорость формирования ФРР будет ограничена уже не скоростью фотовозбуждения носителей заряда, а временем их транспорта [34]. Время формирования можно записать в виде
![]()
где На рис.3.14 приведены рассчитанные с помощью (3.8) зависимости фундаментального предела времени формирования ФРР в различных кристаллических материалах от интенсивности непрерывного лазерного излучения на длине волны 633 нм. Введены обозначения: 1- ниобат лития (LiNbO3); 2- ниобат калия (KNbO3); 3- фосфид галлия (GaP); 4- арсенид галлия (GaAs). В расчетах предполагалось, что На рис.3.15 приведены зависимости фундаментального предела времени формирования голограммы в кристаллических материалах от интенсивности импульсного лазерного излучения на длине волны 338 нм. Длительность импульса записи составляет 10 нс. Введены обозначения: 1- банан, ниобат бария-натрия (Ba2NaNb5O15); 2- ниобат калия; 3- ниобат лития; 4- окись цинка (ZnO); 5- сульфид кадмия (CdS); 6- титанат бария (BaTiO3). Из приведенных зависимостей следует, что наиболее медленно запись ФРР осуществляется для окиси цинка и сульфида кадмия. В остальных рассмотренных материалах фундаментальный предел примерно одинаков и составляет от сотен до долей пикосекунд для диапазона интенсивности записывающего оптического пучка от 10 до 104 Вт/см2.
Рис. 3.14. Зависимости фундаментального предела времени формирования ФРР в кристаллических материалах от интенсивности непрерывного лазерного излучения на длине волны 633 нм
Фундаментальный предел быстродействия и его оценки, обсуждаемые здесь, очень важны для исследований в области материаловедения. Если сравнивать фундаментальный предел с полученными экспериментальными результатами, то, например, для таких материалов, как BaTiO2 и SBN эти результаты на два порядка выше фундаментального предела. Поэтому сравнительные оценки фундаментального предела с экспериментом позволяют разработчикам найти возможность уменьшить время записи за счет увеличения фоторефрактивного поглощения или увеличения эффективности дифракции. Кроме того, учет всех факторов, приводящих к уменьшению времени записи информации, позволяет синтезировать новые материалы со свойствами близкими фундаментальному пределу. Такими материалами, например, являются арсенид галлия (GaAs) и ниобат калия (KNbO3). Для этих материалов не требуются дополнительные методы повышения быстродействия такие, как дополнительный нагрев, легирование и т.д. Эти материалы обладают уникальными нелинейными свойствами. Однако, для массового производства требуются новые материалы с хорошими нелинейными свойствами, но с меньшей себестоимостью при их производстве. Такими материалами являются фоторефрактивные полимеры.
Рис. 3.15. Зависимости фундаментального предела времени формирования ФРР в кристаллических материалах от интенсивности импульсного лазерного излучения на длине волны 338 нм
Процессы записи информации в фоторефрактивных полимерах происходят пока значительно медленнее кристаллических сред. Однако в настоящее время ведутся интенсивные исследования с применением нанотехнологии, которые позволяют надеяться на успехи в повышении быстродействия фотополимеров уже в недалеком будущем.
|