Universität Osnabrück, Graduiertenkolleg Mikrostruktur oxidischer

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32 UNIVERSITÄT OSNABRÜCK, FACHBEREICH PHYSIK Es ist damit zu rechnen, daß auch in anderen Materialien homogene pyroelektrische Felder einen großen Einfluß auf den lichtinduzierten Ladungstransport haben. Eine ganze Reihe von Gründen zeigt die Bedeutung dieser Erkenntnisse: • Es können große Brechungsindexänderungen und Beugungseffizienzen erzielt werden, ohne ein äußeres elektrisches Feld anzulegen. • Der Effekt ist bei der Entwicklung zukünftiger Anwendungen auf der Basis photorefraktiver und pyroelektrischer Kristalle zu berücksichtigen. Aber auch bekannte Techniken, wie das elektrische Fixieren oder die Frequenzverdopplung mit Hilfe von periodischen Domänenstrukturen, können durch pyroelektrische Felder beeinflußt werden. • Durch diesen Effekt erzeugte Strahlprofilinstabilitäten sind in der Lage, die Effizienz phasenkonjugierender Spiegel zu beeinflussen. • Ein tieferes Verständnis über den pyroelektrischen Effekt kann durch Anwendung optischer Techniken erreicht werden. • Zueinander inkohärente Strahlen können durch die Absorption von Lichtenergie miteinander wechselwirken. Hier ergibt sich ein Spielraum für neuartige Techniken des optischen Schaltens. Über die Wärmeleitfähigkeit des Materials ist selbst die gegenseitige Beeinflussung sich nicht überlappender Strahlen möglich. 2.4 Piezoelektrisch induzierte Oberflächenreliefgitter In der überwältigenden Mehrheit der Arbeiten zum photorefraktiven Effekt in elektrooptischen Kristallen werden die Prozesse beim Aufbau eines Raumladungsfeldes in der Nähe der Kristalloberfläche und an der Oberfläche selbst nicht berücksichtigt. Falls das Volumen, in dem Wechselwirkung zwischen Licht und Materie stattfindet, ausreichend ist, so daß Oberflächeneffekte vernachlässigt werden können, ist dieses Vorgehen gerechtfertigt. Es gibt aber experimentelle Bedingungen, die das Einbeziehen der Oberfläche erfordern. Dazu gehört z.B. das holographische Schreiben in photorefraktiven Wellenleitern. Eine einfache Abschätzung zeigt, daß die Beugung an einem elektrooptisch induzierten Brechungsindexgitter an der Oberfläche (Amplitudengitter durch Modulation der Reflektivität) gegenüber der Beugung an einem piezoelektrisch induzierten Oberflächenreliefgitter (Phasengitter durch Reliefbildung) zu vernachlässigen ist, daß letzteres jedoch der experimentellen Beobachtung zugänglich sein müßte. In einem wiederum mit Phasenmodulationstechnik durchgeführten Experiment konnte erstmalig an einer eisendotierten Bi 12TiO 20-Probe (BTO) ein Oberflächenreliefgitter, hervorgerufen durch den piezoelektrischen Effekt, in der holographischen Standardkonfiguration eindeutig nachgewiesen werden. Die Abhängigkeiten der Beugungseffizienz von der Gitterperiode, dem externen elektrischen Feld und der Polarisation der beiden Schreibstrahlen schließen ein Gitter elektrooptischen Ursprungs aus. Die gemäß einem einfachen Modell berechnete Amplitude der Oberflächendeformationen weicht vom experimentellen Wert um den Faktor zehn ab, was jedoch in der Einfachheit erster Modellbetrachtungen liegt. Jüngste Resultate verfeinerter Rechnungen reduzieren die Diskrepanz schon auf den Faktor 1.5. 2.5 Gitteroszillationen Üblicherweise wird in Experimenten unter Verwendung phasenmodulierter Signalstrahlen vorausgesetzt, daß die Vibrationsfrequenz des Interferenzmusters sehr viel größer ist als die inverse Maxwellzeit τ M. Die Raumladungsfelder können den Bewegungen des Lichtmusters nicht folgen. Dadurch wird gewährleistet, daß das Brechungsindexgitter bezüglich Amplitude und Phase in guter Näherung ungestört ist; das Meßobjekt Brechungsindexgitter wird nicht durch das Meßverfahren Oszillation des Lichtmusters beeinflußt. Im Frequenzbereich unterhalb der inversen Maxwellzeit bietet sich diese Technik dagegen auch zur direkten Beobachtung der Dynamik der Hologrammaufzeichnung an. Das genaue Studium der in diesem Frequenzintervall zu erwartenden, stark ausgeprägten Gitteroszillationen ermöglicht neben der Bestimmung der Maxwellzeit z. B. die Messung der Drift- und Diffusionslängen. Einen weiteren interessanten Aspekt stellt der Einfluß höherer Harmonischer der Raumfrequenz K auf die Oszillationen dar, ein Sachverhalt, der für nichtlineare Effekte verantwortlich ist. Zu diesem Zweck bieten sich Untersuchungen an dünnen Hologrammen an, so daß nicht nur r Bragg-Beugung am Gitter mit dem Vektor K auftreten kann (lineare Hologrammaufzeichung), sondern auch die r r sogenannte „Nicht-Bragg“-Beugung an Gittern mit Vielfachen 2K , 3K usw. zu beobachten ist (nichtlineare Hologrammaufzeichnung). Die durchgeführten Experimente an dünnen Hologrammen in einer BTO-Probe zeigten, daß ein direktes Studium der Amplituden der Gitteroszillationen in Abhängigkeit von Parametern wie der Frequenz der Phasenmodu-
GRADUIERTENKOLLEG MIKROSTRUKTUR OXIDISCHER KRISTALLE 33 lation, der Raumfrequenz oder des externen elektrischen Feldes durchgeführt werden können. Daß dabei die Volumeneffekte der dynamischen Holographie vernachlässigt werden können, ist als weiterer Vorteil zu verbuchen. Die Abhängigkeiten im linearen Aufzeichnungsbereich konnten qualitativ richtig durch ein theoretisches Modell wiedergegeben werden. (Einzelheiten s. [5]). Die Untersuchungen im nichtlinearen Aufzeichnungsbereich geben wichtige Aufschlüsse zur Entwicklung einer neuen experimentellen Methode zur Bestimmung der Konzentration umverteilbarer Ladungsträger. Literatur [1] K. Buse, U. van Stevendaal, R. Pankrath, E. Krätzig, „Light-Induced Charge Transport Properties of Sr0.61Ba0.39Nb2O6 Crystals“. J. Opt. Soc. Am. B 13, 1461 (1996) [2] R. Niemann, K. Buse, R. Pankrath, M. Neumann, „XPS Study of Photorefractive Sr0.61Ba0.39Nb2O6 Crystals“. Solid State Commun. 98, 209 (1996). [3] R. D. Shannon, C. T. Prewitt, „Effective Ionic Radii in Oxides and Flourides“. Acta Cryst. B 25, 925 (1969). [4] K. Buse, „Thermal Gratings and Pyroelectrically Produced Charge Redistribution in [5] BaTiO3 and KNbO3“. J. Opt. Soc Am. B 10, 1266 (1993). M. P. Petrov, V. M. Petrov, V. V. Bryksin, I. Zouboulis, A. Gerwens, E. Krätzig, „Grating Oscillations in Photorefractive Crystals“. Opt. Lett. 22, 1083 (1997). Eigene Publikationen • A. Gerwens, M. Simon, K. Buse, E. Krätzig, „Activation of Cerium-Doped Strontium Barium Niobate for Infrared Holographic Recording“, Opt. Commun. 135, 347 (1997). • A. Gerwens, K. Buse, E. Krätzig, „Alternating Photocurrents and Modulated Photoconductivities in Photorefractive Sillenite Crystals“, Ferroelectrics 202, 203 (1997). • M. P. Petrov, V. M. Petrov, V. V. Bryksin, I. Zouboulis, A. Gerwens, E. Krätzig, „Grating Oscillations in Photorefractive Crystals“, Opt. Lett. 22, 1083 (1997). • S. Stepanov, N. Korneev, A. Gerwens, K. Buse, „Dynamic Self-Diffraction from Free Surface Relief Gratings in a Photorefractive Bi12TiO20 Crystal“, Appl. Phys. Lett. 72, 879 (1998). • N. Korneev, D. Mayorga, S. Stepanov, A. Gerwens, K. Buse, E. Krätzig, „Enhancement of the Photorefractive Effect by Homogeneous Pyroelectric Fields“, Appl. Phys. B 66, 393 (1998). • N. Korneev, D. Mayorga, S. Stepanov, A. Gerwens, K. Buse, E. Krätzig, „Characterization of Photorefractive Strontium-Barium Niobate with Non-Steady-State Holographic Photocurrents“, Opt. Commun. 146, 215 (1998). • A. Gerwens, K. Buse, E. Krätzig, N. Korneev, S. Stepanov, „Hall Measurements with Photorefractive Strontium-Barium Niobate by Application of a Non-Steady-State-Photocurrent Method“, J. Opt. Soc. Am. B 15, 2143 (1998). • M. P. Petrov, V. M. Petrov, V. V. Bryksin, A. Gerwens, S. Wevering, E. Krätzig, „Grating Oscillations and Nonlinear Effects in Photorefractive Crystals“, J. Opt. Soc. Am. B 15, 1880 (1998). Konferenzberichte • V. M. Petrov, M. P. Petrov, I. Zouboulis, A. Gerwens, E. Krätzig, „Non-Bragg Diffraction and Grating Oscillations in Photorefractive Holograms“, Proceedings of the Topical Meeting on Photorefractive Materials, Effects and Devices, S. 101, Chiba, Japan (1997). • S. I. Stepanov, N. A. Korneev, A. Gerwens, K. Buse, „Light Diffraction from Piezoelectric Surface Gratings in a Photorefractive Bi12TiO20 Crystal“, Proceedings of the Conference on Lasers and Electro-optics, S. 458, San Francisco, USA (1997). Dissertation A. Gerwens: Charakterisierung photorefraktiver Kristalle mit Hilfe oszillierender Lichtmuster Vorträge 23.03.1995 Frühjahrstagung der DPG, Berlin „Infrarot-Sensibilisierung von Strontium-Barium-Niobat-Kristallen“ 28.03.1996 Frühjahrstagung der DPG, Regensburg „Nichtstationäre Photoströme in photorefraktiven Kristallen“ 19.02.1997 Instituto Nacional de Astrofisica, Optica y Electronica, Puebla, Mexiko „Charge carrier mobility in oxidic crystals“
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