ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ім. В.Н. Каразіна

УДК 535.42.32+535.42.58

Ларіонова Євгенія Іванівна

ПОЛЯРИЗАЦІЙНІ ТА ПРОСТОРОВО-ЧАСОВІ ПЕРЕТВОРЕННЯ СВІТЛОВИХ ПУЧКІВ У ПЛІВКАХ AgCl-Ag

01.04.05 – оптика, лазерна фізика

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Харків-2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Харківському національному університеті ім. В.Н. Каразіна Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:

доктор фізико-математичних наук, доцент Агєєв Леонід Опанасович, професор кафедри фізичної оптики Харківського національного університету ім. В.Н. Каразіна

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук, професор Шкуратов Юрій Григорович, завідувач відділом дистанційного зондування планет астрономічної обсерваторії Харківського національного університету ім. В.Н. Каразіна

кандидат фізико-математичних наук, старший науковий співробітник, Муссіл Володимир Вікторович, доцент кафедри загальної та експериментальної фізики національного технічного університету “Харківський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України

Провідна установа:

Інститут фізики НАН України, відділ оптичної квантової електроніки, м. Київ.

Захист відбудеться “29” березня 2002 року о 16.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.051.03 у Харківському національному університеті ім. В.Н. Каразіна (61077, м. Харків, пл. Свободи, 4, ауд. ім. К.Д. Синельникова).

З дисертацією можна ознайомитись у Центральній науковій бібліотеці Харківського національного університету ім. В.Н. Каразіна за адресою: 61077, м. Харків, пл. Свободи, 4.

Автореферат розісланий “15” лютого 2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Пойда В.П.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Плівки хлористого срібла, що містять гранулярне срібло, проявляють фоточутливість до випромінювання видимого діапазону спектра у реальному часі, тобто оптичні властивості плівок змінюються безпосередньо під час експозіції. Фоточутливість визначається дією світла на срібло і спричинює до зміни розміру, форми часток Ag та до масопереносу Ag у плівці AgCl. Ці перетворення змінюють оптичні константи композитної системи AgCl-Ag без зміни її фазового складу, що відповідає нелінійно-оптичному ефекту. Тому, плівки AgCl-Ag є перспективним об'єктом для досліджень резонансних нелінійних явищ. Дія на плівку білого неполяризованого світла приводить до розподілу Ag у вигляді колоїду в плівці AgCl, що визначає забарвлення зразків AgCl-Ag. Лінійно поляризоване світло індукує у плівці AgCl-Ag лінійний дихроїзм (ефект Вейгерта). Монохроматичні лінійно поляризовані світлові пучки створюють спектральні провали ("випалюють дірки") у колоїдних смугах поглинання при довжині хвилі пучка, який діє на плівку (ефект фотоадаптації). Нарешті, при великих, більших від порогової, експозиціях дія монохроматичних пучків призводить до формування спонтанних періодичних структур (ПС), розвиток яких пов'язаний із збудженням у плівці хвилеводних мод. Нелінійні явища в плівках AgCl-Ag визначаються експозицією. Тривалість розвитку нелінійних ефектів може варіюватися в широких межах у залежності від інтенсивності застосованих світлових пучків. Нелінійні властивості плівок AgCl-Ag досліджені недостатньо повно і потребують подальших досліджень.

Залежність нелінійних ефектів від поглинутої енергії, а не від інтенсивності світлового пучка, відрізняє плівки AgCl-Ag від нелінійних середовищ Керрівського типу. Відсутність помітної релаксації речовини плівки при вимиканні пучка, що індукує, дозволяє детально вивчати часову еволюцію ефектів, використовуючи спектральні, дифракційні і мікроскопічні методи дослідження. У деякому відношенні за своїми нелінійними властивостями ці плівки ближчі до фоторефрактивних кристалів і фотополімерів, однак вони істотно відрізняються від них за механізмом фотоперетворень і специфікою тонкоплівкового стану. Механізм фотоперетворень у плівках AgCl-Ag у деякій мірі подібний до механізму фотоперетворень у фотохромних середовищах і кристалах, що містять колоїдні центри забарвлення.

Багато явищ у плівках розвиваються за рахунок збудження в них направлених мод. Тому існує деяка подібність з ефектом, який виникає на поверхні металів і напівпровідників при дії потужніх лазерних пучків, і полягає в утворенні періодичних структур за рахунок збудження поверхневих поляритонів. Але подібний ефект у плівках істотно відрізняється як механізмом формування ПС, так і більш складними процесами, що виникають через конкуренцію різних збуджених мод.

На відміну від перелічених вище середовищ, дослідженням нелінійних ефектів у фоточутливих плівках і, зокрема, у плівках AgCl-Ag, присвячена невелика кількість робіт. Недостатньо досліджено вплив поляризації індукуючих пучків у широкому діапазоні довжин хвиль видимого спектра на формування фотоіндукованого дихроїзму (ФД) і ПС, не досліджено розвиток ПС під дією поліхроматичних пучків. Важливу роль при вивченні нелінійних ефектів відіграє фокусування індукуючих лазерних пучків, однак вплив цього фактора на просторово-часові нестійкості у розвитку ПС у хвилеводних плівках не досліджено.

Через малі розміри гранул Ag у порівнянні з , плівки AgCl-Ag є перспективним об'єктом для створення голографічних ґраток (Гґ) з високою просторовою частотою. Однак з погляду голографії ПС є шумовими ґратками і здатні стримувати розвиток Гґ. У зв'язку з цим важливо було виявити і реалізувати умови ефективного запису Гґ у плівках AgCl-Ag.

Таким чином, подальші дослідження ефектів, що виникають при взаємодії світлових пучків з фоточутливими плівками AgCl-Ag, є актуальною задачею. Ці дослідження дають внесок у розвиток нелінійної оптики, поляризаційної голографії, наукової фотографії, оптики нелінійних планарних хвилеводів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана здобувачкою на кафедрі фізичної оптики Харківського національного університету ім. В.Н. Каразіна в процесі навчання в аспірантурі відповідно до планів держбюджетних НДР № ГР 0197U002480 і 0100U003280, затверджених Міністерством освіти та науки України.

Мета та завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є виявлення та з'ясування суті оптичних явищ, що виникають при взаємодії світла з плівками AgCl-Ag. Серед явищ, що досліджувались, були: фотоіндукований дихроїзм (ФД) і перетворення поляризації світла дихроїчними зразками; спонтанні періодичні структури (ПС) та просторово-часові перетворення лазерних пучків у процесі формування ПС.

Для досягнення поставленої методи необхідно було:

1. Дослідити вплив обертання площини поляризації на формування в плівках ФД та ПС безперервним спектром видимого діапазону.

2. Дослідити розвиток ПС під впливом поліхроматичного пучка, здатного збуджувати моди з різними частотами в одномодовій по товщині плівці.

3. Встановити умови формування в плівках голографічних ґраток різного періоду при використанні компактної оптичної схеми на основі кристалічної пластини ZnS.

4. Виявити та дослідити нові нелінійні ефекти, пов'язані із просторово-часовою нестійкістю при дії на плівки AgCl-Ag сфокусованого лазерного пучка при його нормальному та похилому падінні на зразки.

Об'єкт дослідження: тонкі фоточутливі композитні плівки AgCl-Ag.

Предмет дослідження: ефекти взаємодії світлових пучків з плівками AgCl-Ag.

Методи дослідження. Плівки заданих товщин готувалися на діелектричних плоскопаралельних підкладках за методом термічного вакуумного напилення. Товщини задавалися масою речовини, що випаровується, і при необхідності вимірювались дифракційним методом за допомогою ПС. Зразки опромінювали: безперервним лінійно поляризованим спектром видимого діапазону з обертанням по спектру напрямку поляризації; лінійно поляризованим поліхроматичним пучком від дугової ртутної лампи; несфокусованими та сфокусованими лінійно поляризованими Гауссовими лазерними пучками. ФД досліджувався поляриметричним методом за допомогою білого світла. Розсіювання та дифракцію світла від ПС, які індукуються у зразках, спостерігали як за допомогою пучків, що індукують, так і пробних лазерних пучків. Поляризацію і спектральне розкладання світла у дихроїчних зразках спостерігали візуально та реєстрували фотографічно. Динамічні картини розсіювання і дифракції спостерігали візуально, реєстрували фотографічним та фотоелектричним методами. Періоди ПС вимірювали дифрактометричним методом.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Показано, що обертання площини поляризації у безперервному видимому спектрі, яке зареєстроване за допомогою ФД і ПС у плівках AgCl-Ag, потім відновлюється за рахунок поляризаційних та спектральних перетворень пучка білого світла у дихроїчному зразку, або за рахунок азимутальних поворотів дифрагованих пучків і малокутового розсіювання в зразках з індукованими ПС.

2. Вперше отримані ПС у плівках AgCl-Ag при дії поліхроматичного індукуючого пучка. Показано, що при однакових умовах просторового розсіювання у плівці мод з різними частотами ПС розвиваються за рахунок дії позитивного зворотного зв'язку тільки на одній моді, яка має максимальну добротність.

3. Виявлена здатність орієнтованих кристалічних пластин ZnS, що мають характерні шарові дефекти структури, утворювати додаткові світлові пучки у відбитому світлі та у світлі, яке проходить. Вперше виявлено утворення голографічних ґраток та виникнення ефекту самодифракції при їхньому розвитку в плівках AgCl-Ag на поверхні пластини ZnS, що опромінюється одним лазерним пучком при похилому падінні.

4. Вперше виявлені й пояснені нелінійні ефекти оптичної турбулентності та просторово-часової еволюції у смугах малокутового розсіювання і дифракційних рефлексах при розвитку ПС у плівках AgCl-Ag під дією сфокусованого Гауссового лінійно поляризованого лазерного пучка при нормальному та похилому падінні. Досліджено конкуренцію S+- і S--ґраток у процесі їхнього розвитку.

Практичне значення одержаних результатів. Показано, що фоточутливі тонкі плівки AgCl-Ag є перспективним об'єктом для виявлення і дослідження нелінійних оптичних ефектів, які дозволяють реєструвати і відтворювати поляризацію світла, змінювати просторові характеристики світлових пучків та керувати ними. Такі властивості нелінійних середовищ мають суттєве значення для опису явищ нелінійної оптики і привертають до себе увагу у зв'язку з розробками нових інформаційних оптичних технологій.

З погляду нелінійної оптики найбільш суттєвим результатом є виявлення та пояснення оптичної турбулентності та еволюційних перетворень при розвитку ПС за рахунок збудження хвилеводних мод у плівці. Раніше зовні подібні явища спостерігалися на нелінійних об'ємних об'єктах іншої природи та в істотно інших експериментальних умовах.

Крім теоретичних, дисертація містить також результати, що можуть знайти практичне застосування: показано можливість запису поляризації світла в умовах обертання площини поляризації і розроблено прості методи одержання спонтанних і голографичних дифракційних ґраток, що можуть застосовуватися для метрологічних і демонстраційних цілей.

Особистий внесок здобувача. Авторка виконала усі експериментальні дослідження, викладені в опублікованих у співавторстві наукових працях та в оригінальній частині дисертації: нею виготовленні плівки за методом вакуумного напилення, виміряні їх товщини, проекспоновані плівки світлом у різних схемах, виконані поляриметричні та дифрактометричні вимірювання, здійснена фотографічна і фотоелектрична реєстрація світлових пучків, що несуть інформацію про явища, які спостерігаються. Авторка брала участь в обговоренні та інтерпретації результатів, опрацьовувала експериментальні дані, виготовила ілюстративний та графічний матеріал, виконала теоретичні розрахунки.

Апробація результатів дисертації. Результати роботи доповідалися й обговорювалися на таких конференціях: VII Міжнародна конференція з фізики і технології тонких плівок (Івано-Франківськ, 1999); Всеукраїнська науково-методична конференція з проблем викладання фізики в освітніх закладах (Львів, 1999); 3-й міжнародний симпозіум “Вакуумные технологии и оборудование” (Харків, 1999); NATO Advanced Study Institute, Soliton-driven Photonics (Swinoujscie, Poland, 2000); LFNM'2000 2nd International Workshop on Laser and Fiber-Optical Networks Modeling (Kharkiv, Ukraine, 2000); LEOS 2000, 13th Annual Meeting (Rio Grande, Puerto Rico, USA, 2000); Nonlinear Guided Waves and Their Applications, Topical Meeting (Clearwater, Florida, USA, 2001); OSA Annual Meeting (Los Angeles, USA, 2001).

Публікації. Результати дисертації опубліковані у 16 наукових публікаціях: 6 статей у наукових журналах, 2 статті в збірниках наукових праць та 8 праць представлено у вигляді тез доповідей наукових конференцій.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, 4 розділів, висновків, списку використаних джерел з 109 найменувань. Робота містить 145 сторінок та 42 рисунки на 40 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі наведено обґрунтування актуальності теми дисертації, відзначено її зв'язок з науковими держбюджетними програмами, сформульовані мета та завдання дослідження, наукова новизна одержаних результатів, наукове та практичне значення результатів дисертаційної роботи.

У першому розділі дисертації “Нелінійні властивості плівок AgCl-Ag” подано літературний огляд, присвячений стислому обговоренню природи фоточутливості та фотоіндукованого дихроїзму (ФД) у тонких плівках AgCl-Ag. Розглянуті основні питання, що стосуються механізму утворення фотоіндукованих періодичних структур (ПС) у ціх плівках. Наведені данні про реєстрацію і відтворення стану поляризації у безперервному спектрі видимого діапазону за допомогою ФД і ПС у плівках AgCl-Ag. Розглянуті також результати експериментів по спостереженню просторово-часових перетворень лазерних пучків у об'ємних нелінійних середовищах, які мають інший ніж плівки AgCl-Ag механізм нелінійності.

У другому розділі “Реєстрація та відтворення обертання площини поляризації у безперервному спектрі за допомогою плівок AgCl-Ag” наведені результати експериментів з реєстрації спектрального обертання площини поляризації за допомогою ФД та формуванню ПС у цих умовах. Плівки готувалися методом термічного вакуумного випаровування AgCl і Ag на скляні підкладки.

При реєстрації обертання площини поляризації в спектрі видимого діапазону за допомогою ФД плівки експонувалися розкладеним за допомогою спектрографа у безперервний спектр лінійно поляризованим світлом, яке пройшло крізь оптично активний кристал (кварцева пластина товщиною 1 см). Показано, що експонована дихроїчна плівка, яка спостерігається крізь поляроїд, перетворює пучок білого світла подібно до того, як це відбувається при спостереженні спектрального обертання площини поляризації за допомогою поляризатора, кристала, спектрографа та аналізатора.

Спостереження експонованої плівки у світлі, що проходить, за схемою – джерело білого світла, поляроїд, дихроїчна плівка, аналізатор (у схрещеному та близьких до нього положеннях) – дають картини забарвлених і темних смуг, які чергуються у записаному спектрі (рис. 1). На основі застосування методу матриць Джонса до дихроїчного зразка розраховано спектральний розподіл інтенсивності світла, що пройшов крізь аналізатор, який добре узгоджується з експериментом (рис. 1, 2):

,

де - інтенсивність пучка, що падає на плівку; - пропускання плівки при поляризації пробного пучка пк, ^ відповідно, - вектор поляризації світлової хвилі, що падає на плівку; . Величина пов'язана з індукованим дихроїзмом ( - оптична густина), без урахування втрат на відбивання, співвідношенням . Різниця фаз визначається індукованим у плівці подвійним заломленням, де - показники заломлення поляризованих хвиль, - товщина плівки; - кут обертання площини поляризації після кристала і призми спектрографа. Виявлено (рис. 1) подвоєння частоти екстремумів при схрещених (0°) поляроїдах у порівнянні із звичайним спостереженням крізь аналізатор спектральної залежності інтенсивності при обертанні площини поляризації у кристалі. Цей ефект, з одного боку, поліпшує умови для дослідження спектральної залежності обертання, з іншого боку, - дозволяє визначити величину індукованого у плівці дихроїзму.

Запис спектрального обертання поляризації здійснено також за допомогою ПС, що зароджуються та розвиваються у плівці при перевищенні порогової експозиції 10 ДжЧсм-2, значно більшої, ніж експозиція насичення ФД.

ПС зароджуються спонтанно за рахунок інтерференції падаючої хвилі з розсіяними у плівці хвилеводними TEm–модами (0, 1, 2, …) (згідно з уявленнями авторів, що вперше спостерігали ПС у плівках AgCl-Ag). ПС є недосконалими дифракційними ґратками (рис. 3) і складаються із мікроґраток з кутовим розкидом їхніх векторів щодо переважного напрямку .

При нормальному падінні індукуючого пучка з довжиною хвилі і з напрямком поляризації виконується умова синхронізму , де - хвильовий вектор збудженої моди; , - період ґраток уздовж плівки, , - ефективний показник заломлення моди. При зміні товщини плівки , для моди із заданим індексом , змінюється у межах Ј< , де , - показники заломлення підкладки і плівки (<) (згідно з теорією планарних асиметрічних хвилеводів).

При індукуванні ПС вузьким лінійно поляризованим лазерним пучком виникає малокутове розсіювання (МР), яке при спостереженні на екрані має вигляд смуги, що спрямована || (рис. 4). МР виникає через перевипромінювання мод, збуджених на мікроґратках з векторами , мікроґратками з Через кутовий розкид векторів мікроґраток, що складають ПС, поперечну деформацію мають і пучки дифракції від ПС.

Формування ПС в одномодовій плівці на TE0-модах під дією безперервного спектру при обертанні поляризації створює в плівці голограму, для якої опорними хвилями є збуджувані хвилеводні моди. У голограмі спектру мають місце практично лінійна залежність і повороти штрихів ПС відповідно до залежності кутів повороту поляризації . Така голограма отримана вперше і є своєрідною ґраткою-мультиплексором, у якій закономірно змінюється не тільки , але і напрямок штрихів.

Показано, що в пучку білого світла, що падає під визначеним кутом , на голограмі спостерігаються, у вигляді кольорових смуг, ділянки записаного спектра, на яких штрихи ПС орієнтовані перпендикулярно до площини падіння. При поворотах голограми навколо нормалі до неї, ці смуги рухаються уздовж записаного спектру відповідно до залежності .

Кути поворотів площини поляризації у записаному спектрі спостерігалися також за допомогою дифракції і МР у пробному лазерному пучку з 337 нм. При нормальному падінні пучка і переміщенні голограми уздовж лінії розгортання записаного спектра, на люмінесциючому екрані спостерігалися дифракційні рефлекси від ділянок, де > , або смуги МР при . Дифракційні рефлекси змінюють своє кутове положення і повертаються відповідно до залежностей і ; кутове положення смуги МР відтворює повороти . Перехід від дифракції до МР у момент, коли , є новим випадком спостереження аномалії Вуда за допомогою недосконалих дифракційних ґраток, якими є ПС.

У третьому розділі “Індукування спонтанних та голографичних ґраток у плівках AgCl-Ag” наведено результати досліджень двох альтернативних ситуацій. Перша з них відповідає реалізації найбільш простих умов для одержання у плівках AgCl-Ag спонтанних ПС; друга, навпаки, визначає можливість одержання у цих плівках досконалих Гґ.

Для формування ПС використано поліхроматичне випромінювання дугової ртутної лампи, яка випромінює у видимій області три інтенсивні спектральні компоненти (синя – 436 нм, зелена – 546 нм, жовта – 579 нм) і може індукувати в одномодовій по товщині плівці три моди, які збуджуються цими компонентами. Товщина плівки забезпечувала збудження мод з . Лінійно поляризований пучок фокусувався на зразок циліндричною лінзою, що дозволяло встановлювати S- чи Р-поляризацію; при цьому максимальний кут падіння променів не перевищував 10°. Досліджено роль позитивного зворотного зв'язку (ПЗЗ) у розвитку ПС у таких умовах.

При дії на плівку поліхроматичного пучка існують умови для збудження хвилеводних мод усіма спектральними компонентами цього пучка. Розподіл полів мод у плівці однаковий для всіх компонентів. Розрізняються вони лише своїми амплітудами, при цьому > усього лише на 8%. Однак цього невеликого розходження виявляється достатньо, щоб забезпечити розвиток ПС (за рахунок ПЗЗ) на жовтій компоненті і ліквідувати можливість збудження моди для зеленої лінії і, тим більше, для істотно більш слабкої синьої. Дифракція від ПС спостерігалася на фіксованих, покритих плівкою Al зразках за допомогою лазерного пучка з 337 нм. Показано, що при поділі азимутальних ( 30°) напрямків збуджених мод для жовтої і зеленої компонент (за рахунок поворотів поляризації за допомогою кварцової пластини товщини 2 мм), роль конкуренції мод знижується і плівка здобуває здатність до роздільного формування ПС під дією випромінювання з цими двома значеннями . Продемонстрована також здатність ПС до відтворення кута і напрямку повороту площини поляризації індукуючого випромінювання, який здійснюється за допомогою право- і лівообертаючих кварцевих пластин. Виконаний експеримент дає найбільш простий засіб готування ПС, які можна використовувати як дифракційні ґратки досить малого періоду () для різних цілей, наприклад, для виконання навчальних завдань з дифракційної оптики.

Нелінійні оптичні властивості плівок AgCl-Ag можна також використовувати для запису голографічних ґраток (Гґ). Завдяки високій розподільній здатності ціх плівок, у них можна одержувати Гґ із великою густотою штрихів. Крім того, при записі Гґ у нелінійному середовищі можна спостерігати класичний нелінійний ефект просторово-часового перетворення лазерних пучків – ефект самодифракції. Однак, з погляду голографії, ПС являють собою шумові структури, що знижують дифракційну ефективність Гґ, а в умовах ефективного розвитку ПС відбувається навіть руйнування цих ґраток. Для запису Гґ і спостереження самодифракції необхідно було істотно знизити ефективність розвитку ПС. Це досягнуто за рахунок використання плівок AgCl-Ag, нанесених на підкладку (ZnS) з показником заломлення вище, ніж у AgCl. У цьому випадку хвилеводні моди в плівці не збуджуються і ПС можуть розвиватися за відсутності двухпучкового інтерференційного поля лише за рахунок збудження низькодобротних спрямованих випромінювальних мод.

У виконаних експериментах підкладкою служила плоскопаралельна кристалічна пластина ZnS товщини 5,5 мм із розвинутими поверхнями (110). Кристали ZnS мають дефектну структуру і складаються з близьких перемежованих областей гексагональної та кубічної модифікацій, плоскі межі між якими перпендикулярні до поверхонь пластини. Було виявлено, що дефектність структури визначає незвичайні оптичні властивості такої пластини. Лазерний пучок, який падає під кутом падіння на пластину так, щоб площина падіння була перпендикулярна плоским границям розділу прошарків різних кристалічних фаз, крім звичайного відбиття та заломлення, зазнає відбиття від границь прошарків, що приводить до появи двох додаткових пучків: відносно слабкого відбитого пучка, що йде назустріч падаючому, і досить сильного пучка, що проходить через пластину під кутом .

Розглянуто варіанти утворення інтерференційних полів на двох поверхнях пластини при інтерференції звичайних і додаткових пучків та можливості формування різного типу Гґ при запису інтерференції у світлочутливій плівці, що знаходиться на передній чи задній грані кристала. Установка для синтезу ґраток у цьому випадку набагато простіша, ніж звичайна двохпучкова схема, і вимагає тільки незмінності кута падіння одного лазерного пучка на кристалічну пластину в процесі експозиції. Змінюючи кут падіння, можна одержувати ґратки різного типу (відбивні чи пропускаючі) з періодами, що змінюються в широких межах. Період ґраток можна також змінювати, використовуючи лазери різних довжин хвиль, аж до довгохвильового краю (340 нм) власної смуги поглинання ZnS. Гґ утворюються на невеликій площадці, що відповідає перетину лазерного пучка, і можуть бути використані, наприклад, для градуювання збільшення світлових мікроскопів.

Гґ, що формуються у світлочутливих плівках, нанесених на кристалічну пластину ZnS, дозволяють спостерігати самодифракцію. У роботі продемонстровано випадок, коли Гґ формуються у плівці, яка знаходиться на задній поверхні пластини ZnS, при падінні на передню поверхню S-поляризованого лазерного пучка (633 нм) під кутом 10°. Гґ у плівці утворюються як пропускаючі ґратки за рахунок інтерференції інтенсивного проходячого пучка і більш слабкого додаткового, який спрямований проти пучка, дзеркально відбитого від пластини. У проходячому світлі, на екрані, спостерігається поява пучків дифракції ±1, ±2 порядків у міру розвитку Гґ із періодом 1,8 мкм і характерна для самодифракції тенденція до посилення більш слабкого нульового пучка. Такий метод спостереження самодифракції має перевагу в порівнянні з методами, які використовують інші розщеплювачі лазерних пучків (наприклад, біпризма): по-перше, для демонстрації явища немає необхідності розширювати лазерний пучок і можна використовувати сфокусований пучок; по-друге, спостереження можна робити при різних кутах падіння у досить широкому їхньому діапазоні.

У четвертому розділі “Просторово-часова нестійкість і оптична турбулентність при формуванні спонтанних ґраток в одномодових світлочутливих плівках AgCl-Ag“ обговорюються нові нелінійні ефекти, що виникають при дії на плівки AgCl-Ag сфокусованих безперервних лазерних пучків. Фокусування приводить до збільшення інтенсивності (густини потужності), до істотного скорочення розмірів площадки, що опромінюється, і, як наслідок, до зменшення числа мікроґраток у ПС. У результаті при нормальному падінні на плівку сфокусованого лінійно поляризованого Гауссового пучка виникає картина МР, яка складається із дискретних світлових плям, що перемежовуються темними проміжками (рис. 4). Дискретність картини визначається тим, що окремі світлові плями відповідають випромінювальним модам від невеликого числа

окремих мікроґраток, що складають ПС. Число плям зменшується, а їхні розміри збільшуються при зменшенні площі фокусу. При дії несфокусованого пучка число мікроґраток велике, смуга МР складається із безлічі дрібних плям і виглядає практично суцільною.

Виявлено, що при фокусуванні яскраво виявляється нестійкість картини МР у часі і просторі: плями в картині хаотично рухаються, змінюють свою форму й інтенсивність, одні плями зникають, інші з'являються, тобто спостерігаються хаотичні просторово-часові зміни, які мають назву оптичної турбулентністі (згідно з термінологією, що прийнята у літературі). Частота осциляцій інтенсивності, пов'язаних з турбулентністю в МР, найбільша (до 10 Гц) у момент зародження МР і поступово спадає із зростанням експозиції . При великих загальна інтенсивність МР падає і турбулентність завмирає. В експериментах використовувався пучок з 633 нм, 5 мвт, лінзи з 5,5 і 9,4 см та одномодові плівки з товщиною ”100 нм. Оптична турбулентність добре спостерігалася протягом тривалості опромінення 30ё45 хв.

Виявлена турбулентність є новим прикладом такого явища і відрізняється від відомих випадків оптичної турбулентності в об'ємних Керровських середовищах як за умовами її виникнення, так і більш низьким порогом зародження, близьким до порогу зародження ПС. У Керровських середовищах турбулентності передує просторово-часова нестійкість у вигляді появи регулярних дифракційних картин різного типу (згідно з літературними данними). Причинами турбулентності у випадку плівок AgCl-Ag є: конкуренція мікроґраток з різними векторами в процесі їхнього зародження і розвитку; поступове розширення площі, на якій формується ПС, через Гауссовий розподіл інтенсивності у діючому пучку; зміни ефективної діелектричної сталої композитної плівки AgCl-Ag у процесі експозиції.

Наступним кроком з'явилося дослідження оптичної турбулентності та еволюційних процесів при похилому падінні сфокусованого S-поляризованого пучка. При S-поляризації ПС складаються з S+- та S--мікроґраток з періодами (це відомо з літератури). У цьому випадку спостерігаються чотири картини МР: у напрямках пучків, що проходить і відбивається, та у напрямках зустрічних цим пучкам. Крім того, при куті падіння від S--ґраток спостерігаються (на просвіт та відбиття) дифракційні пучки "-1" порядків дифракції, які виходять у повітря та мають серповидну форму через азимутальний розкид S-- мікроґраток по їхніх векторах . Як і МР, пучки дифракції, що спостерігаються на екранах, мають дискретну структуру плям, у якій спостерігається турбулентність. За кутами дифракції пучка, що спостерігається у відбитті від ПС, знаходився період S--ґраток.

Дослідження часової та просторової еволюції картин МР і дифракційних рефлексів призвело до таких результатів: встановлено, що поява картин МР у напрямках, зустрічних падаючому і дзеркально відбитому лазерним пучкам, є наслідком перевипромінювання хвилеводних мод, збуджених на S- (S+) мікроґратках, мікроґратками S+ (S-), тоді як МР у напрямках проходячого і відбитого пучків зв'язано з перевипромінюванням мод "своїми" мікроґратками (S+ на S+ та S- на S-); на початкових стадіях опромінення турбулентність спостерігається у всіх чотирьох картинах МР, але із зростанням експозиції картини МР у зустрічних пучках значно послаблюються, тоді як МР у напрямках проходячого і відбитого пучків зберігаються; дифракційні рефлекси від S--ґраток складаються із світлових плям, які хаотично змінюються та число яких зростає із зростанням експозиції, і, у цілому, дифракційні рефлекси стають більш інтенсивними та зміщаються по куту дифракції до менших ; при , близьких до , дифракційний рефлекс має велике розширення по куту дифракції , більш різкий край у напрямку (компонента вектора падаючої хвилі на площини плівки) і на протележній стороні - досить вузькі викиди світлових плям ("протуберанці"), що рухаються проти ; має місце "магічний" кут падіння індукуючого пучка, при якому дифраговані пучки збігаються за напрямком з МР, що спостерігаються назустріч падаючому і проти відбитого пучків, і при якому турбулентність у МР і дифракції особливо інтенсивна.

Результати досліджень оптичної турбулентності та еволюції картин МР і дифракції дозволили установити таке: на початкових стадіях опромінення виникають, головним чином, S+-ґратки, що мають малий період і не дають дифракції у повітря або у підкладку; турбулентність на початкових стадіях визначається конкуренцією мікроґраток одного знаку між собою (S+ з S+, S- з S-), а також S+-ґраток з S--ґратками і навпаки; поослаблення і майже зникнення МР у напрямках назустріч падаючому і проти відбитого пучків та одночасове розпалювання дифракційних рефлексів від S--ґраток на кінцевих стадіях опромінення свідчать про руйнування S+-мікроґраток за рахунок зародження і розвитку S--ґраток; зсув дифракційних рефлексів від S--ґраток за кутом дифракції, що супроводжується зміною їхньої структури, ширини, розвитком і зникненням "протуберанців", їхнім звуженням і зростанням яскравості, свідчать про часову еволюцію ефективного показника заломлення моди ( із зростанням експозиції зменшується) і про конкуренцію S-- та S+-мікроґраток; існування "магічного" кута падіння, при якому спостерігається "бурхлива" турбулентність, пов'язано з кратністю періоду періоду ( ).

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі розв'язана задача виявлення та з'ясування нелінійних явищ, які індукуються світлом у плівках AgCl-Ag. У ній проведені такі дослідження і отримані такі основні результати:

1. Здійснено запис обертання площини поляризації у безперервному спектрі в плівках AgCl-Ag за допомогою фотоіндукованого дихроїзму та періодичних структур. Показано, що спектральне обертання поляризації відтворюється у білому світлі за рахунок спектрально-поляризаційних або дифракційних перетворень пробного пучка. Також показано, що при відтворенні обертання дихроїчним зразком можна визначити величину наведеного у плівці дихроїзму.

2. Досліджено роль позитивного зворотного зв'язку (ПЗЗ) при формуванні ПС в умовах різниці амплітуд та розподілу полів різних мод у плівці при дії лінійно поляризованого поліхроматичного випромінювання ртутної лампи, сфокусованого на плівку AgCl-Ag циліндричною лінзою.

Отримані результати вказують на вирішальну роль ПЗЗ при розвитку ПС в умовах конкуренції мод, які збуджуються випромінюванням з різними і розповсюджуються по співпадаючих напрямках.

В умовах повороту площини поляризації для різних роль ПЗЗ у конкуренції ПС, що розвиваються, знижується.

3. Показано, що запис голографичних ґраток (Гґ) різного типу з періодами, що змінюються в широких межах, може бути реалізована шляхом нанесення плівки AgCl-Ag на поверхні орієнтованих кристалічних пластин ZnS, які мають дефекти структури та створюють додаткові світлові пучки у відбитому та у проходячому світлі. Крім того, виявлено, що запис таких Гґ у нелінійному середовищі на поверхні кристала ZnS дає нову можливість для спостереження ефекту самодифракції, що дозволяє уникнути використання лазерів досить великої потужності і необхідності розщеплення лазерного пучка на два з наступним їх зведенням на нелінійне середовище.

4. Виявлено і досліджено новий тип просторово-часової самопульсації (оптичної турбулентності) у розсіяному світлі при утворенні спонтанних ґраток у хвилеводних одномодових плівках AgCl-Ag під дією одного нормально або похило падаючого лазерного пучка постійної інтенсивності. Показано, що особливість оптичної турбулентності та просторово-часової еволюції у смугах МР та дифракційних рефлексах пов'язана з конкуренцією різних мікроґраток у структурі ПС. Виявлена оптична турбулентність виникає на початковій стадії утворення конкуруючих мікроґраток, і за порогом істотно відрізняється від оптичної турбулентності, яка спостерігається у фоторефрактивних кристалах та Керровських середовищах.

Виявлено, що при дії S-поляризованого лазерного пучка просторово-часова еволюція смуг малокутового розсіювання та дифракційних рефлексів визначається конкуренцією S- та S+–мікроґраток із руйнуванням останніх на кінцевих стадіях опромінення.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗДОБУВАЧА ЗА ТЕМОЮ

ДИСЕРТАЦІЇ

1. Ageev L.A., Miloslavsky V.K., Plavskaya (Larionova) E.I. Recording of the optical rotation spectrum using the Weigert effect in AgCl-Ag films // J. Opt. A: Pure Appl. Opt.-1999.-Vol.1.-P.668-672.

2. Агеев Л.А., Плавская (Ларионова) Е.И., Милославский В.К. Спонтанные периодические структуры, индуцированные в пленках AgCl-Ag непрерывным спектром при оптическом вращении плоскости поляризации // Оптика и спектроскопия. - 2000. - Т.88, №5. - С. 863-868.

3. Агеев Л.А., Милославский В.К., Плавская (Ларионова) Е.И. Неустойчивость и оптическая турбулентность при формировании спонтанных в одномодовых светочувствительных пленках AgCl-Ag // Оптика и спектроскопия. - 2000. - Т. 88, №6. - С. 1005-1009.

4. Агеев Л.А., Милославский В.К., Ларионова Е.И. Пространственно-временная неустойчивость и оптическая турбулентность при формировании спонтанных решеток S-поляризованным светом в волноводных пленках AgCl-Ag // Оптика и спектроскопия. - 2000. - Т.89, № 6 - С. 1032-1039.

5. Ageev L.A., Miloslavsky V.K., Larionova E.I. Optical turbulence at the laser beam scattering in a thin light-sensitive film // Functional Materials.-1999.-Vol.6, № 5.-P.907-910.

6. Ageev L.A., Miloslavsky V.K., Larionova E.I. Formation of holographic gratings in light-sensitive films on ZnS crystalline substrates // Functional Materials.-2000.-Vol.7, № 2.-P.193-198.

7. Нелинейные преобразования лазерных пучков в волноводных светочувствительных пленках AgCl-Ag / Л.А. Агеев, В.К. Милославский, Е.И. Ларионова, Х.И. Эль-ашхаб / Радиотехника. - 2000. - №116. - С. 95-98.

8. Агеев Л.А., Милославский В.К., Ларионова Е.И. Простой способ наблюдения самодифракции в светочувствительных пленках AgCl-Ag // Вісник ХНУ: серія "Фізика".-2000.-Вип. 4, № 476.-С. 107-110.

9. Агеев Л.А., Милославский В.К., Плавская (Ларионова) Е.И. Запись дисперсии вращения плоскости поляризации с помощью фотоиндуцированного дихроизма в пленках AgCl-Ag // Матеріали VII міжнародної конференції з фізики і технології тонких плівок. - Івано-франківськ. - 1999. - С.171.

10. Запис та демонстрація дисперсії повертання площини поляризації / Л.О. Агєєв, Є.І. Плавська (Ларіонова), В.К. Милославський, В.Д. Єгоренков / Матеріали Всеукраїнської науково-методичної конференції “Актуальні проблеми викладання та навчання фізики у вищих освітних закладах”. - Львів: “Ліга-Прес”. - 1999. - С. 7-10.

11. Агеев Л.А., Плавская (Ларионова) Е.И., Милославский В.К. Спонтанные периодические структуры, индуцированные в пленках AgCl-Ag светом дуговой ртутной лампы // Труды третьего международного симпозиума “Вакуумные технологии и оборудование” (ISVTE-3). - Том 1. - Харьков. - 1999. - С. 145-147.

12. Larionova E.I., Ageev L.A., Miloslavsky V.K. Observation nonlinear effects of a laser beam interaction with waveguide photosensitive AgCl-Ag films // NATO Science Series: II. Matematics, Physics and Chemistry, Vol. 31: Soliton-driven Photonics. - Dordrecht/Boston/London: Kluwer Academic Publishers. - 2000. - P. 73-76.

13. Ageev L.A., Miloslavsky V.K., Larionova E.I. Holographic gratings in photosensitive film on surface of crystal ZnS substrate // Proceedings of LFNM'2000, 2nd International Workshop on Laser and Fiber-Optical Networks Modeling. - Kharkiv (Ukraine). - 2000. - Р. 112-114.

14. Spatio-temporal transformations of laser beam in thin light-sensitive AgCl-Ag film / L.A. Ageev, V.K. Miloslavsky, E.I. Larionova, H. Elashhab / Proceedings of LFNM'2000 2nd International Workshop on Laser and Fiber-Optical Networks Modeling. - Kharkiv (Ukraine). - 2000. - Р. 23-25.

15. Larionova E.I. Spatio-temporal instability of S-polarized laser beam and optical turbulence at the formation of spontaneous gratings in waveguide AgCl-Ag films//2000 IEEE Annual Meeting Conference Proceedings (LEOS 2000), 13th Annual Meeting, the Westin Rio Mar Beach, Rio Grande, Puerto Rico.-2000.-Vol. 1.-P.382-383.

16. Larionova E.I., Ageev L.A., Miloslavsky V.K. Nonlinear transformations of S-polarized laser beam at its interaction with waveguide photosensitive AgCl-Ag films//Nonlinear Guided Waves and Their Applications (NLGW'01), Proceedings of Topical Meeting, the Belleview Biltmore Resort&Spa, Clearwater, Florida.-2001.-P.143-145.

Ларіонова Є. І. Поляризаційні та просторово-часові перетворення світлових пучків у плівках AgCl-Ag. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.05 – Оптика, лазерна фізика. – Харківський національний університет ім. В.Н. Каразіна, Харків, 2001.

Дисертація присвячена дослідженням поляризаційних та просторово-часових перетворень світлових пучків у плівках AgCl-Ag, які мають фоточутливість у реальному часі до випромінювання видимого діапазону спектру. Досліджено вплив обертання площини поляризації на формування фотоіндукованого дихроїзму та періодичних структур, які пов'язані із збудженням хвилеводних мод, при опроміненні плівок безперервним спектром видимого діапазону. Наведені результати експериментів і встановлена роль позитивного зворотного зв'язку при індукуванні періодичних структур лінійно поляризованим поліхроматичним пучком від ртутної лампи. Виявлено можливість формування голографічних ґраток з різними періодами під дією одного лазерного пучка на кристалічну пластину ZnS, на якій знаходиться плівка AgCl-Ag. Виявлено і досліджено нові нелінійні ефекти (оптична турбулентність, еволюційні перетворення в пучках розсіювання та дифракції від періодичних структур) при дії на плівку нормально або похило падаючого сфокусованого лінійно поляризованого Гауссового лазерного пучка.

Ключові слова: фоточутливі тонкі плівки, фотоіндукований дихроїзм, хвилеводні моди, спонтанні періодичні структури, голографічні ґратки, оптична турбулентність, просторово-часові перетворення лазерних пучків.

Larionova E.I. Polarized and spatio-temporal transformations of light beams in the AgCl-Ag films. – Manuscript.

Dissertation for a Ph. D. Degree in physics and mathematics sciences by speciality 01.04.05. – Optics, laser physics. – V.N. Karazin Kharkov National University, Kharkov, 2001.

The dissertation is devoted to the investigation of polarized and spatio-temporal transformations of light beams in the AgCl-Ag films, possessing a photosensitivity in a real time to a radiation of a spectrum visible band. The influence of a rotation of the polarization plane to a formation of a photoinduced dichroism and of the periodic structures, connected with an excitation of waveguide modes is investigated under the irradiation of films by an continuum spectrum of visible band. The experiment results are reported and the role of positive feedback at the formation of the periodic structures by linearly polarized polychromatic beam of a mercury lamp is described. The possibility of formation of holographic gratings with the different periods under the action of single laser beam on a crystalline ZnS plate which the AgCl-Ag film is on. The new nonlinear effects (an optical turbulence, the evolutional transformations in the beams of the scattering and of the diffraction from the periodic structures) under the action of a normal