Проект ЭП-1801

науко-ориентированный

Исследование эффектов в фоточувствительных кристаллах. Разработка математических моделей возникновения упругих полей, вызванных пьезоэлектрическим и флексоэлектрическим эффектами при формировании динамических голограмм в фоточувствительных кристаллах. Разработка математических моделей фазовой демодуляции для встречного и попутного взаимодействия в фоточувствительных кристаллах различных срезов. Экспериментальное определение флексоэлектрических коэффициентов для фоторефрактивных кристаллов класса селлинитов методами адаптивной голографической интерферометрией.

Задача исследования нелинейных оптических сред вызвана в первую очередь необходимостью измерения количественных характеристик для вкладов физических явлений в фоточувствительных кристаллах в эффекты самовоздействия световых пучков на динамических голограммах, что позволит развивать физические основы создания устройств голографической интерферометрии. Подобные устройства позволяют проводить дистанционные измерения спектра механических колебаний зеркально и диффузно отражающих объектов в широком динамическом диапазоне.
Основаны такие голографические устройства на встречной или попутной геометрии взаимодействия световых волн на динамических голограммах в нецетросимметричных фоторефрактивных кристаллах класса силленитов. Так встречная геометрия взаимодействия в кристаллах селлинитов при диффузионном механизме записи динамической голограммы характеризуется высокой эффективностью, а малые пространственные периоды отражательных голограмм приводят к высоким градиентам электрических полей, достигающие значений порядка ТВ/м2. Такие гигантские значения, приводят, в следствие флексоэлектрического эффекта к новым явлениям, а также к существенному вкладу в возмущения оптических свойств кристаллов, в том числе и в нетрадиционных для фоторефрактивной голографии кристаллах, в которых отсутствует линейный электрооптический эффект. Обратный флексоэлектрический эффект индуцирует упругие деформации кристалла, которые в свою очередь вследствие фотоупругого эффекта приводят к изменениям в нелинейный отклик, которые выявляются методами голографической интерферометрии, основанной на фазовой демодуляции фазомодулированных световых пучков при взаимодействии со стационарными пучками на динамических голограммах, путем выделения линейной составляющей сигнала демодуляции.
Выявление вкладов в нелинейный отклик, разделение их по физическим механизмам и определение количественных характеристик требует построения соответствующих математических моделей, а также разработки экспериментальных методов и лабораторных установок голографической интерферометрии.

каф. ЭП

Нет

Кафедра электронных приборов. Личные средства руководителя проекта.

В настоящее время технологическое и производственное оборудование очень разнообразно и состоит из большого количества узлов и сопряжений, испытывающих механические колебания. Необходимость повышения производительности ставит проблему повышения прочности и долговечности технических конструкций, при снижении материалоемкости. В связи с этим актуальным является создание высокочувствительных систем для дистанционного мониторинга механических колебаний, для бесконтактных измерений деформаций узлов и деталей оборудования различного назначения, в том числе при производстве и в процессе эксплуатации устройств электроники, содержащей микромеханические элементы и узлы. Одним из путей решения данных задач является использование методов лазерной и голографической интерферометрии.
Эффективность использования встречного взаимодействия световых волн на отражательных фоторефрактивных голограммах в кристаллах титаната висмута для реализации принципов голографической интерферометрии при измерении механических колебаний отражающих объектов продемонстрирована, в частности, в работе [Адаптивные методы обработки спекл-модулированных оптических полей / Ю.Н. Кульчин, О.Б. Витрик, А.А. Камшилин, Р.В. Ромашко. М.: Физматлит, 2009. – 276 с.]. Однако для использования принципа голографической интерферометрии в реальных измерительных оптико-электронных приборах необходима оптимизация как конструкции адаптивного голографического интерферометра, так и используемых в нем элементов. Поскольку в работе [Колегов, А.А. Отражательные динамические голограммы в кристаллах силленитов для адаптивных голографических интерферометров: дис. … канд. техн. наук: 01.04.05 / Колегов Алексей Анатольевич. ТУСУР. – Т., 2010. – 161 с.] показано, что использование кристаллов титаната висмута среза (100) для реализации линейного режима фазовой демодуляции в сравнении с образцами срезов (110) и (111) является предпочтительным, актуальным является оптимизация конструкции и исследование характеристик адаптивного голографического интерферометра, основанного на встречном взаимодействии световых волн именно в образцах среза (100).
Важнейшими характеристиками адаптивного голографического интерферометра, предназначенного для измерения амплитуд колебаний механических объектов на различных частотах в широком динамическом диапазоне, являются частотная зависимость выходного сигнала при заданной амплитуде колебаний (частотная характеристика) и зависимость его амплитуды на фиксированных частотах от амплитуды измеряемых колебаний (амплитудная характеристика). Следует отметить, что частотные зависимости выходного сигнала при лабораторной реализации принципа голографической интерферометрии, использующего фазовую демодуляцию на отражательных голограммах, не исследовались, а соответствующие амплитудные зависимости изучались в диапазоне амплитуд измеряемых механических колебаний от 5 пм до 300 нм, не позволяющем зафиксировать нижнюю границу динамического диапазона, обусловленную шумовыми характеристиками применяемых элементов. В связи с этим актуальным являются исследования частотных характеристик интерферометра, как и изучение его амплитудной характеристики в диапазоне, охватывающем область, где выходной сигнал определяется уровнем собственных шумов.
В последнее время проявляется значительный интерес к обратному флексоэлектрическому эффекту, при котором в среде индуцируются упругие деформации, пропорциональные градиенту напряженности электрического поля, и к его прямому варианту, заключающемуся в линейном отклике электрической поляризации среды на градиент упругих деформаций, что связано с необходимостью описания физических свойств наноструктурированных метаматериалов. Отражательные голограммы в кристаллах титаната висмута благодаря высокой концентрации ловушечных центров и малому пространственному периоду должны характеризоваться высокими значениями градиента напряженности электрического поля пространственного заряда и могут сопровождаться упругими полями, обусловленными обратным флексоэлектрическим эффектом, которые вследствие фотоупругости должны давать дополнительный вклад в эффекты фазовой демодуляции. Таким образом, актуальным является изучение возможности обнаружения данного флексоэлектрического вклада в кристаллах титаната висмута среза (100) и его влияния на характеристики интерферометра.

Одним из важных, но недостаточно хорошо изученных к настоящему времени явлений, связанных с упругими деформациями в твердотельных микро-, нанослоях и гетероструктурах, является флексоэлектрический эффект. Как прямой флексоэлектрический эффект, состоящий в линейном отклике электрической поляризации на градиент упругих деформаций, так и его обратный вариант (возникновение в среде упругих деформаций (напряжений), пропорциональных градиенту электрической поляризации (напряженности)), являющиеся слабыми относительно пьезоэффекта в нецентросимметричных кристаллах макроскопических размеров, вносят заметный вклад в упругие деформации и электрическую поляризацию в микро- и нанослоях.
Гигантские значения градиентов упругих и электрических полей в микро- и наноструктурированных полярных материалах, и значительная анизотропия их физических свойств, приводят, вследствие флексоэлектрического эффекта, как к качественно новым явлениям, так и к существенному вкладу в возмущения физических свойств таких систем. В ряде работ, в том числе в работах заявителя, показано, что пренебрежение данным вкладом не позволяет описать некоторые эффекты, наблюдаемые экспериментально в микро- и наноструктурированных полярных материалах. В связи с изложенным, заявляемый проект, цель которого состоит в развитии методов адаптивной голографической интерферометрии, основанной на двухволновом взаимодействии световых волн в фоторефрактивных кристаллах для исследования параметров деформации, смещений и механических напряжений, возникающих при строительстве или эксплуатации инфраструктурных сооружений, производства материалов и компонентов устройств нано-, микро- и оптоэлектроники, а также характеризации упругих полей, возникающих в голографических средах (фоторефрактивных кристаллах), используемых в голографических интерферометрах, вследствие обратного флексоэлектрического эффекта, является актуальным, особенно в рамках задач разработки методов прецизионного и бесконтактного измерения параметров деформаций в тонких пленках и гетероструктурах и методов создания статических и динамических деформаций в тонких пленках и гетероструктурах путем воздействия электрических, механических, акустических и оптических полей. Также важным вкладом в развитие физического материаловедения структурированных полярных диэлектриков будут развитые в результате выполнения проекта теоретические модели, описывающих на основе общего подхода возмущения оптических свойств упругими полями. С использованием результатов, полученных на основе данных моделей, будут решаться задачи по развитию теоретических моделей и экспериментальному исследованию эффектов фазовой демодуляции и сделают возможным существенный вклад в разработку физических основ создания нового поколения устройств обработки сигналов оптического диапазонов. Вклад в данную область науки, который будет следствием выполнения проекта, обладает инновационным потенциалом, как и вклад в развитие методов неразрушающего контроля.

Заключается в доказательстве возможности применения разработанного адаптивного голографического интерферометра, при использовании в нем встречного взаимодействия циркулярно поляризованной стационарной опорной волны с линейно поляризованной фазово-модулированной сигнальной волной на отражательных голограммах в образцах титаната висмута среза (100), для измерений в частотном диапазоне от 300 Гц до 3 кГц на линейном участке амплитудной характеристики спектра механических колебаний зеркально отражающих объектов с амплитудами от 1 пм до 40 нм и определении оптимальной входной ориентации вектора поляризации сигнальной волны, обеспечивающей максимальный уровень выходного сигнала адаптивного голографического интерферометра, предназначенного для измерения спектра механических колебаний отражающих объектов.
А также в получении количественной оценки значения флексоэлектрических коэффициентов для кристаллов класса силленитов с применением разработанного адаптивного голографического интерферометра, при использовании в нем встречного взаимодействия сигнального пучка, имеющего на входной грани образца фазовую модуляцию и правую циркулярную поляризацию, со стационарным опорным пучком, сохраняющим левую циркулярную поляризацию.

- Разработка и сборка портативной системы адаптивного голографического интерферометра на основе двухволнового взаимодействия фазово-модулированного светового пучка со стационарным пучком накачки на динамических голограммах в фоточувствительных кристаллах, предназначенная для измерения спектра колебаний или упругих деформаций в широком динамическом диапазоне.
- Модифицированная теоретическая модель формирования упругих полей динамических голограмм, обусловленного пьезоэлектрическим и флексоэлектрическим эффектами в фоточувствительных кристаллах различной симметрии и на ее основе будут разработаны численные алгоритмы расчета эффективных флексоэлектрических коэффициентов для образцов с произвольной ориентацией относительно кристаллографических осей.
- Выявление преобладающего механизма формирования абсорбционной составляющей динамической голограммы в кристаллах класса силленитов. С его учетом будут развиты теоретические модели возмущений диэлектрической проницаемости фоточувствительных кристаллов на оптических частотах и теоретические модели фазовой демодуляции для встречного и попутного взаимодействия в фоточувствительных кристаллах различных срезов двух векторных световых пучков. Будут разработаны численные алгоритмы расчета ориентационных и поляризационных характеристик процесса фазовой демодуляции в фоторефрактивных кристаллах класса силленитов для образцов произвольного среза.
- Будут экспериментально выявлены основные закономерности поведения ориентационных и поляризационных характеристик для линейной и квадратичной составляющих сигнала фазовой демодуляции в кристаллах силленитов при попутной геометрии взаимодействия и определены оптимальные условия для оценки эффективных флексоэлектрических коэффициентов при различных ориентациях вектора решетки.
- Будет установлена степень соответствия разработанных теоретических моделей полученным экспериментальным данным и будут даны количественные оценки эффективных флексоэлектрических коэффициентов кристаллов титаната и силиката висмута.
- Полученные результаты позволят исследователями, специализирующихся в области оптического материаловедения, физики твердого тела, динамической голографии, фоторефрактивной нелинейной оптики, взаимодействия лазерного излучения с веществом расширить и уточнить представления о влиянии фотоиыдуцированного поглощения света и обратного флексоэлектрического эффекта на фундаментальные эффекты, наблюдаемые в фоточувствительных кристаллах. Можно ожидать, что разработчики устройств динамической голографии и голографической интерферометрии, предназначенных для оптической обработки информации и измерения и контроля спектров механических колебаний объектов, смогут использовать разработанные алгоритмы численного анализа и измеренные значения эффективных флексоэлектрических коэффициентов для оптимизации конструкции и характеристик разрабатываемых систем прикладного назначения.
- Результаты проекта, связанные с влиянием флексоэлектрического эффекта на оптические свойства наноструктурированных материалов, могут быть использованы в научно-исследовательских работах фундаментального характера по тематике взаимодействия лазерного излучения с веществом и изучения оптических и упругих свойств кристаллов. Результаты анализа преобладающего механизма формирования абсорбционной составляющей динамической голограммы в кристаллах силленитов позволят уточнить существующие представления о механизмах фотохромного эффекта и его зависимости от длины волны индуцирующего излучения. Использование результатов измерения эффективных флексоэлектрических коэффициентов кристаллов силленитов возможно и для решения прикладных задач, связанных с разработкой и оптимизацией параметров измерительных устройств голографической интерферометрии, функционирующих в линейном режиме фазовой демодуляции.
Долгосрочным эффектом проекта будет, в первую очередь, полученный научно-технический задел в области оптического материаловедения, физики твердого тела, динамической голографии, фоторефрактивной нелинейной оптики, взаимодействия лазерного излучения с веществом, который будет использован как для продолжения фундаментальных исследований по тематике взаимодействия лазерного излучения с веществом, так и для проведения прикладных работ по созданию измерительных устройств, основанных на принципах голографической интерферометрии.

Практическая реализация уже осуществляется и будет продолжаться дальше по мере совершенствования параметров оптических элементов и узлов установки адаптивного голографического интерферометра и поиска применений, используемых в проекте технологий.

Предприятия, специализирующиеся на выпуске оптического и оптико-электронного оборудования, университеты, научно-исследовательские институты.