Оптична нестабільність кристалів (стр. 1 из 8)
Дипломна робота
ОПТИЧНА НЕСТАБІЛЬНІСТЬ КРИСТАЛІВ
Реферат
Розглянуто явище оптичної нестабільності, основні її види та моделі представлення, умови та середовища реалізації. Проаналізовано особливості будови шаруватих кристалів, як можливого середовища реалізації оптичної нестабільності. Представлено моделі нестабільних оптичних пристроїв. Теоретично досліджено вплив слабких магнітних полів на умови реалізації оптичної нестабільності в області екситонного поглинання шаруватих напівпровідників. На прикладі кристалу 2H-PbI2 розраховано область реалізації магнітооптичної нестабільності при змінній температурі і частоті.
Кількість сторінок - 54, кількість рисунків – 27, посилань на літературні джерела - 25
Ключові слова: оптична нестабільність, магнітооптична нестабільність, шаруваті кристали, нестабільний оптичний пристрій.
Зміст
Список умовних позначень, скорочень
Вступ
Розділ 1. Теоретична частина
1.1 Означення оптичної нестабільності
1.2 Модель оптично нестабільної системи
1.2.1 Дисперсійна оптична нестабільна система
1.2.2 Абсорбуюча оптична нестабільна система
1.3 Механізми оптичної нелінійності в напівпровідникових матеріалах
1.4 Оптичні нестабільні пристрої
1.4.1 Модель резонаторного нестабільного пристрою
1.4.2 Оптичні нестабільні пристрої на напівпровідникових кристалах
1.4.3 Модель березонаторного нестабільного пристрою на шаруватих кристалах
Розділ 2. Експериментальна частина
2.1 Математична модель безрезонаторної оптичної нестабільності шаруватих кристалів
2.2 Магнітооптична нестабільність
2.3 Обговорення результатів розрахунку області реалізації магнітооптичної нестабільності в шаруватих кристалах
Висновки
Література
Додаток 1
Список умовних позначень, скорочень
ОН – оптична нестабільність
ШК – шаруваті кристали
МОН – магнітооптична нестабільність
Вступ
Актуальним та одним із найцікавіших напрямків розвитку сучасної фізики є можливість створення оптичних комп’ютерних мереж. Побудова чисто оптичної інформаційної системи потребує розв’язання двох задач: шляхів передачі оптичних сигналів та методів запису, зберігання і відтворення оптичної інформації. На сьогодні, перша задача повністю технологічно розв’язана. Перспектива ж створення оптичного логічного елементу пов’язана із використанням оптичних бістабільний пристроїв.
Явище оптичної нестабільності (ОБ) проявляється в тому, що при певних умовах проходження світла через середовище, при фіксованому значенню вхідної інтенсивності
, реалізується два (або більше) стабільних стани, що відповідають різним значенням вихідного сигналу, тобто має місце гістерезисна залежність [1]. Механізм ж виникнення ОБ і середовище реалізації можуть бути різними. Але обов’язковою умовою є нелінійне середовище і обернений зв'язок. Останнє може бути забезпечено як накладанням зовнішніх умов так і специфічним характером внутрішніх умов, тобто можна організувати резонаторну та безрезонаторну ОБ. Остання виникає без зовнішнього оберненого зв’язку в результаті збільшення поглинаючої здатності середовища при зростанні інтенсивності вхідного сигналу.В роботі розглянуто екситонний механізм нелінійності, з особливістю керування динамікою зміни густини екситонів. Це в свою чергу призводить до виникнення безрезонаторної оптичної нестабільності. Її реалізація пов’язана з процесами релаксації екситонного збудження [2].
Для особливого класу речовин – шаруватих кристалів, процеси екситон-фононної релаксації мають певні особливості, зумовлені їх будовою [3].
Шаруваті кристали (ШК) за своєю будовою займають проміжне місце між кристалічними і склоподібними структурами, між двомірними і тримірними сполуками, між іонними і молекулярними речовинами. Шаруватим напівпровідникам властива істотна анізотропія їх фізичних властивостей вздовж шару і між шарами. Це приводить до особливостей фононного спектру: існуванню хвиль згину в акустичному спектрі фононів, які являють собою мембранні коливання шару. Екситонний спектр у таких речовинах формується звичайними тримірними екситонами Ваньє-Мотта з радіусом, який охоплює декілька шарових пакетів [3].
Однією з причин виникнення оптичної нестабільності в шаруватих кристалах є динамічна нелінійність оптичного поглинання в екситонній області частот (внутрішня ОБ), що пояснюється конкуренцією процесів збудження екситонних станів і їх релаксацією внаслідок екситон-фононної взаємодії [4]. Можливість реалізації двох або більше стабільних оптичних станів кристалу в області екситонних резонансів відкриває нові можливості не тільки запису і зберігання оптичної інформації, але й керуванням нелінійними явищами, шляхом зміни зовнішніх факторів.
Мета роботи: Аналіз можливості і умов реалізації магнітооптичної нестабільності (МОБ) в шаруватих напівпровідниках в області екситонних резонансів.
Завдання, які підлягають вирішенню:
1. Розгляд особливостей явища ОБ, видів, механізмів та середовищ реалізації;
2. Дослідження реалізації ОБ в ШК;
3. Аналіз умов реалізації МОБ;
4. Розрахунок області реалізації МОБ при змінній температурі і частоті.
Розділ 1. Теоретична частина
1.1 Означення оптичної нестабільності
Під оптичною нестабільністю розуміють наявність в оптичній системі двох або більше сталих станів при дії на неї випромінюванням визначеної інтенсивності і спектрального складу [5].
Залежність між випромінюванням, що пройшло крізь бістабільний оптичний пристрій Іпрох від Іо, характеризується наявністю гістерезису за певних умов. Змінюючи умови роботи пристрою, змінюють ширину гістерезису, тобто змінюють область нестабільності. Тоді, коли область нестабільності зовсім пропадає, має місце однозначна залежність Іпрох від Іо, на всьому інтервалі зміни Іо. При наявності гістерезису, перехід між станами слабого і сильного пропускання відбувається стрибкоподібно, а при відсутності – без стрибка [5].
Рис. 1. Схема оптичного нестабільного пристрою
Явище оптичної нестабільності відкриває можливості для керування оптичним випромінюванням, що дозволяє реалізовувати аналоги різних електронних пристроїв в оптичному діапазоні [5].
Оптично бістабільний пристрій (характеристика якого зображена на рис. 2а може працювати як елемент оптичної пам’яті [5]. Світловий імпульс, інтенсивність якого перевищує величину
, переводить систему зі стану малого пропускання (стан А) в стан сильного пропускання. Після припинення дії даного світлового імпульсу цей стан буде збережено, тобто він “ запам’ятовується ” . 
Рис. 2. Характеристики оптичних нестабільних пристроїв: а – 1-й; б – 2-й
Оптично бістабільний пристрій (характеристика якого зображена на рис. 2б може працювати як оптичний транзистор [5]. При дії на систему достатньо потужного випромінювання спостерігається точка переходу між станом слабого пропускання у стан сильного пропускання. Зовнішній світловий сигнал малої інтенсивності
І переводить оптично нестабільні систему в стан сильного пропускання. Тобто за допомогою випромінювання малої інтенсивності контролюють випромінюванням із значною інтенсивністю ( 
Іпрох/ І 
1).1.2 Модель оптично нестабільної системи
Як модель розглянемо резонатор Фабрі-Перо [6]. На одне з його дзеркал перпендикулярно падає когерентне випромінювання інтенсивності І0. Середовище резонатора являє собою речовину з коефіцієнтом поглинання
і показником заломлення n для випромінювання довжини хвилі, що використовується.В результаті багатопроменевої інтерференції інтенсивність світла всередині і на виході резонатора залежить від співвідношень між його довжиною L (відстань між дзеркалами резонатора) і довжиною хвилі випромінювання. Якщо довжина резонатора дорівнює цілому числу N півхвиль випромінювання
(умова резонатора), то інтенсивність випромінювання всередині і на виході резонатора має максимум, якщо ( N + 
) 
= nL – інтенсивність мінімальна.В області резонансу величина поглинаючої в резонаторі потужності зі збільшенням коефіцієнта поглинання може зменшуватися. Це відбувається за рахунок того, що в області резонансу збільшення коефіцієнта поглинання призводить до різкого зменшення інтенсивності світла в резонаторі, що перекомпенсовує ріст самого коефіцієнта поглинання.
Якщо даний резонатор заповнити середовищем, показник заломлення якого змінюється зі зміною інтенсивності світла в ньому, або середовищем із насиченим поглинанням, то за допомогою такого резонатора можна отримати ОБ.