CS217664B1

CS217664B1 - A method of creating an optically readable acoustic poles record in electro-optically active materials

Info

Publication number: CS217664B1
Application number: CS709478A
Authority: CS
Inventors: Ivan Turek; Stanislav Kolnik
Original assignee: Ivan Turek; Stanislav Kolnik
Priority date: 1978-10-31
Filing date: 1978-10-31
Publication date: 1983-01-28

Abstract

Ak sa elektrická vodivost akustoelektricky aktívneho materiálu, například osvětlením, moduluje koherentně s akustickou vlnou, ktorá sa týmto prostředím šíři, vytvoří sa priestorové rozloženie nosičov náboja, ktoré má mimo periodickej zložky i stacionárnu zložku, svojím tvarom zodpovedajúcu akustickej vine. Vďaka tejto stacionárnej zložke rozloženia volných nosičov náboja sa v materiáli vytvoří i značná modulácia koncentrácie nosičov zachytených na hlbokých záchytných hladinách. Elektrické pole od takto vytvořeného rozloženia nosičov náboja přetrvává i po vypnutí osvetlenia a vypnutí akustickej vlny. V materiáli s výrazným elektrooptickým javom toto pole moduluje index lomu, takže je možné jeho rozloženie vhodnými optickými interferenčnými, alebo holografickými metodami vyšetřovat. Dostaneme tým informáciu o póvodnej akustickej vine, ktorá sa prostředím šířila, pretože rozloženie náboja a tým i modulácia indexu lomu zodpovedá rozloženiu póvodného akustického pol’a. Materiál s uvedenou moduláciou indexu lomu teda představuje opticky čitatelný záznam akustického póla.If the electrical conductivity of an acoustoelectrically active material is modulated coherently with an acoustic wave propagating through the medium, for example by illumination, a spatial distribution of charge carriers is created, which, in addition to the periodic component, also has a stationary component, the shape of which corresponds to the acoustic wave. Thanks to this stationary component of the distribution of free charge carriers, a significant modulation of the concentration of carriers trapped at deep trapping levels is also created in the material. The electric field from the charge carrier distribution thus created persists even after the illumination and the acoustic wave are switched off. In a material with a significant electro-optical effect, this field modulates the refractive index, so its distribution can be investigated by suitable optical interference or holographic methods. This provides information about the original acoustic wave propagating through the medium, because the charge distribution and thus the modulation of the refractive index correspond to the distribution of the original acoustic field. The material with the specified refractive index modulation thus represents an optically readable recording of the acoustic pole.

Description

Vynález sa týká spósobu vytvorenia opticky čitatelného záznamu akustického póla elektroopticky aktívnych materiálov, pri ktorom sa využívá rozloženie nosičov náboj a.The invention relates to a method for producing an optically readable acoustic pole recording of electro-optically active materials, wherein the distribution of charge carriers a.

Akustická vlna v materiáli s volnými nosičmi elektrického náboj a vyvolává změnu priestorového rozloženia týchto nosičov. Mechanizmov, ktoré túto změnu rozloženia nosičov móžu vyvolať, je niekolko. Najznámejší z nich, vyvolaný prostredníctvom piezoelektrického javu je podrobné popísaný v odbornej literatúre.The acoustic wave in the material with free carriers of electric charge causes a change in the spatial distribution of these carriers. There are several mechanisms that can cause this change in the distribution of carriers. The best known of these, induced by the piezoelectric phenomenon, is described in detail in the literature.

Volné nosiče náboja, podl’a Drude-Lorentzovej teorie, ovplyvňujú index lomu světla, takže akustické pole sa prostredníctvom změny koncentrácie podiela na „premodulovaní“ indexu lomu, čo principiálně móže byť použité pre optické zobrazenie akustickej vlny. Avšak změna indexu lomu vyvolaná takýmto mechanizmom je malá na to, aby za běžných podmienok mohla byť výhodné použitá na zviditel’nenie akustického póla.Free charge carriers, according to Drude-Lorentz's theory, influence the refractive index of light, so that the acoustic field contributes to the "modulation" of the refractive index by varying the concentration, which in principle can be used for optical imaging of the acoustic wave. However, the change in refractive index induced by such a mechanism is small so that under normal conditions it may be advantageous to use it to visualize the acoustic pole.

S rozložením koncentrácie volných nosičov súvisí i rozloženie koncentrácie nosičov zachyténých na záchytných centrách, ktoré je možné využiť na vytvorenie záznamu akustického pol’a.The concentration distribution of free carriers is also related to the concentration distribution of carriers captured at the capture centers, which can be used to create an acoustic field record.

Pokiaf sa záznam vytvára obsadením plytkých záchytných centier, mohol by sa použit ich priamy vplyv na index lomu světla, pretože ich polarizovatelnosť je dostatočná pre dosiahnutie použitelnej změny indexu .lomu. Pri vytvoření záznamu pomocou modulácie obsadenia plytkých záchytných centier je potřebné materiál s vytvořeným záznamom udržiavať na teplote tak nízkej, aby nedošlo k teplotnej excitácii nosičov zachytených na týchto centrách.If the recording is made by occupying shallow capture centers, their direct effect on the refractive index could be used, since their polarizability is sufficient to achieve a usable change in the refractive index. When creating a recording by modulating the occupancy of shallow collection centers, it is necessary to keep the recorded material at a temperature so low as to avoid thermal excitation of the carriers captured at these centers.

Na vytvorenie záznamu akustického pol’a móže byť využitý i záchyt nosičov na hlbokých centrách, podobné ako je tomu pri využití záchytu na vytvorenie záznamu optického pol’a.The capture of carriers on deep centers can be used to create an acoustic field record, similar to using an optical field capture capture.

Priamy vplyv nosičov náboja zachytených na hlbokých centrách na index¹ lomu je malý, takže v materiáli s výrazným elektrooptickým javom sa dosiahne silnejšie ovplyvnenie indexu lomu, menovite, ak náboj vytvořený zachytením nosičov nebude vykompenzovaný iným nábojom. Vtedy sa vytvoří elektrické pole, ktoré prostredníctvom elektrooptického javu moduluje index lomu, čo móže byť použité pre optické čítanie záznamu. Keď na materiál s takto vytvořeným záznamom naložíme vonkajšie elektrické pole frekvencie zhodné s frekvenciou vlny, ktorá bola zaznamenaná, vygeneruje sa prostredníctvom elektroakustického javu ako i prostredníctvom elektrostrikcie, akustická vlna odpovedajúca vine, ktorá bola zaznamenaná.The direct impact of the charge carriers captured at deep centers on the refractive index ¹ is small, so that in the material with a strong electro-optical effect, the refractive index is more strongly influenced, namely, if the charge created by the carrier capture is not compensated by another charge. An electric field is then created which modulates the refractive index by means of an electro-optical phenomenon, which can be used for optical reading of the record. When the external electric field of the frequency coincident with the frequency of the wave that has been recorded is loaded onto the material thus generated, an acoustic wave corresponding to the fault that has been recorded is generated by both the electroacoustic phenomenon and the electrostriction.

Záchyt elektrónov na plytkých centrách bol k vytvoreniu záznamu akustického póla použitý v róznych materiáloch. Premodulovanie koncentrácie elektrónov na plytkých centrách bolo dosiahnuté vyprázdňovaním obsadených centier tunelovým javom pri súčasnom pósobení akustickej vlny, ktorá mala byť zaznamenaná a vonkajšieho elektrického pol’a frekvencie zhodnej s frekvenciou akus• tickej vlny. Záznam bol vytvořený a udržiavaný pri teplotách tekutého hélia. Potřeba chladenia záznamového prostredia však spósobuje značné potiaže pri technickom použití takéhoto spósobu vytvorenia záznamu akustickej vlny. Vytvorenie záznamu pomocou hlbokých záchytných centier nevyžaduje sice chladenie záznamového prostredia, ale v dósledku slabého vplyvu hlbokých záchytných centier na index lomu boli takéto centrá použité dosiať iba pre vytvorenie záznamu povrchových vln, u ktorých je i pri technicky dostupných výkonoch značné vyššia deformácia prostredia a tým i vyššia s elektrickým polom vlny súvisiaca modulácia koncentrácie nosičov náboja.Electron capture on shallow centers was used in various materials to create an acoustic pole recording. The modulation of the electron concentration on the shallow centers was achieved by emptying the occupied centers through a tunnel effect while simultaneously reproducing the acoustic wave to be recorded and the external electric field frequency equal to that of the acoustic wave. Record was created and maintained at liquid helium temperatures. However, the need for cooling the recording environment causes considerable difficulties in the technical application of such a method of recording an acoustic wave. Recording with deep capture centers does not require cooling of the recording environment, but due to the low impact of deep capture centers on the refractive index, such centers have been used only to produce surface wave recordings where, even at technically available power, significant distortion of the environment higher electrical field wave-related modulation of charge carrier concentration.

K tomu, aby sa vytvořil čitateťňý záznam objemovej akustickej vlny bez nutnosti chladenia záznamového prostredia na nízké teploty, je možno podl’a předkládaného vynálezu využiť súčasné pósobenie akustickej vlny a modulácie elektrickej vodivosti záznamového prostredia obsahuj úceho hlboké záchytné centrá. Výhoda vytvorenia záznamu objemových akustických vln spočívá najma v ich použitelnosti pre akustická defektoskopiu a holografiu. S ohťadom na možnosti 1’ahšej generácie objemových vln pri vyšších frekvenciách, móže však vhodná metoda záznamu objemových vln nájsť uplatnenie i pri konštrukcii akustických památí pre počítacie stroje.In order to create a readable recording of the volume acoustic wave without the need to cool the recording environment to low temperatures, it is possible according to the present invention to utilize simultaneous acoustic wave multiplication and modulation of the electrical conductivity of the recording environment containing deep capture centers. The advantage of generating bulk acoustic wave recordings lies mainly in their usability for acoustic flaw detection and holography. With regard to the possibilities of the lighterest generation of the volume waves at higher frequencies, however, a suitable method of recording the volume waves can also be used in the construction of acoustic memories for calculating machines.

Spósob vytvorenia opticky čitatel’ného záznamu akustického poťa podl’a vynálezu spočívá v tom, že stacionárna priestorová modulácia indexu lomu korešpondujúca rozloženiu zaznamenávaného akustického póla sa vytvoří pósobením akustickej vlny na priestorové rozloženie nosičov náboja a súčasnou, s akustickou vlnou koherentnou moduláciou elektrickej vodivosti materiálu.A method for producing an optically readable acoustic field record according to the invention is to provide a stationary spatial modulation of the refractive index corresponding to the distribution of the recorded acoustic pole by generating an acoustic wave to spatially distribute the charge carriers and concurrently with the acoustic wave coherent modulation of the electrical conductivity.

Časová konštanta dosahovania rovnováhy medzi koncentráciou volných a zachytených nosičov náboja je spravidla značné velká v porovnaní s periodou akustickej vlny, ktorá sa má zaznamenat. Amplitúda priestorového rozloženia koncentrácie nosičov na záchytných centrách, vytvořeného akustickou vlnou je potom značné menšia než tá, ktorá by zodpovedala stacionárnemu rozloženiu koncentrácie volných nosičov. Je preto výhodné vytvořit také rozloženie koncentrácie volných nosičov, ktoré by zodpovedalo priestorovému rozloženiu akustickej vlny v materiáli, avšak ktoré by bolo časové nepremenné, resp. měnilo by sa iba pomaly.The time constant for achieving an equilibrium between the concentration of free and captured charge carriers is generally large in comparison with the period of the acoustic wave to be recorded. The amplitude of the spatial distribution of the carrier concentration at the capture centers generated by the acoustic wave is then considerably less than that which would correspond to the stationary distribution of the concentration of free carriers. It is therefore advantageous to provide a concentration distribution of the free carriers which would correspond to the spatial distribution of the acoustic wave in the material, but which would be constant over time or not. it would only change slowly.

Dosiahnuť toho, aby akustická vlna vytvořila takéto rozloženia volných nosičov je možné vtedy, ak elektrická vodivost záznamového prostredia je modulovaná koherentně s akustickou vlnou, t. j. modulovaná tak, aby integrál súčinu elektrickej vodivosti materiálu a intenzity elektrického póla pochádzajúceho od akustickej vlny v čase váčšom, alebo aspoň zrovnatelnom s dobou potřebnou na dosiah.3 nutie rovnováhy volných a zachytených nosičov bol rózny od nuly, t. j. aby (1) Ja(t) dt. E_ak(t, x) dt 0 τIt is possible for the acoustic wave to produce such free carrier distributions if the electrical conductivity of the recording environment is modulated coherently with the acoustic wave, ie modulated so that the integral of the product of the electrical conductivity of the material and the electric pole intensity coming from the acoustic wave at least comparable to the time required to achieve the equilibrium of free and trapped carriers is different from zero, i.e. (1) Ja (t) dt. E _and k (t, x) dt 0 τ

V případe, že akustická vlna je harmonická a že elektrická vodivost je modulovaná harmonicky s amplitúdou a_m a frekvenciou zhodnou s frekvenciou akustickej vlny, podmienka (1) je splněná. Příslušným výpočtom dostaneme, že amplitúda priestorového rozloženia volných nosičov je:In the case where the acoustic wave is harmonic and the electrical conductivity is modulated harmonically with the amplitude and _m and the frequency coinciding with the frequency of the acoustic wave, condition (1) is satisfied. By the corresponding calculation we get that the amplitude of the spatial distribution of free carriers is:

(2) __1 k Qm · ^akQ p (σ/ε + Α:²Ώ) kde g je náboj nosičov náboja, E_ako je amplitúda elektrického pofa vytvořeného akustickou vlnou, k je absolútna hodnota vlnového vektora zaznamenávanej vlny, D je difúzna konstanta nosičov náboja, ktoré priestorový náboj vytvárajú a ε je dielektrická konštanta. záznamového materiálu.(2) __1 k Qm · ^ akQ p (σ / ε + Α: ² Ώ) where g is the charge carrier charge, E _and ko is the amplitude of the electric field generated by the acoustic wave, k is the absolute value of the wave vector of the recorded wave, the charge carrier constant that generates the space charge and ε is the dielectric constant. recording material.

Clen σ/ε vo vztahu (2) je Maxwellovská relaxačná frekvencia a vyjadřuje „brzdenie“ vytvárania elektrického náboja prostredníctvom elektrického pofa od už vytvořeného náboja. Nech v materiáli sú přítomné i iné, od prvých nezávislé pohyblivé nosiče elektrického náboja, koncentrácia ktorých nie je modulovaná koherentně s akustickou vlnou. Ich koncentrácia bude elektrickým pol’om, ktoré zastavuje rast náboja vytváraného akustickou vlnou ovplyvňovaná tak, že nimi vytvořené elektrické pole bude kompenzovat pole, ktoré brzdilo póvodný rast koncentrácie nosičov náboja. V takomto případe sa vo vztahu (2) člen σ/ε neuplatní, pretože vytváranie záznamu, t. j. priestorového rozloženia nosičov náboja jedného druhu, bude zastavené iba difúziou nosičov.The term σ / ε in relation (2) is the Maxwell relaxation frequency and expresses the "braking" of the electric charge generation by the electric field from the already created charge. Let other, non-movable electric charge carriers, the concentration of which is not modulated coherently with the acoustic wave, are present in the material. Their concentration will be influenced by the electric field that stops the growth of the charge generated by the acoustic wave, so that the electric field they create will compensate for the field that inhibited the original growth of the charge carrier concentration. In such a case, in (2) the term σ / ε does not apply because the creation of the record, t. j. the spatial distribution of the charge carriers of one kind will be stopped only by the diffusion of the carriers.

Ak v tomto materiáli budú přítomné záchytné centrá, premoduluje sa ich obsadenosť podlá rozloženia pohyblivých nosičov. Amplitúda modulácie koncentrácie nosičov na týchto centrách bude úměrná koncentrácii pohyblivých nosičov a poměru pravděpodobnosti záchytu a excitácie nosičov zo záchytných centier. Vhodnou volbou záchytných centier a volbou hodnoty pravděpodobnosti excitácie zachytených nosičov pomocou vhodného osvetlenia, teploty a pod., možno zvolit amplitúdu koncentrácie nosičov na záchytných centrách, t. j. amplitúdu záznamu.If capture centers are present in this material, their occupancy is modulated according to the layout of the movable carriers. The amplitude of carrier concentration modulation at these centers will be proportional to the concentration of movable carriers and the ratio of probability of capture and excitation of carriers from capture centers. By appropriately selecting the capture centers and selecting the excitation probability value of the captured carriers using appropriate illumination, temperature, and the like, the amplitude of the carrier concentration at the capture centers can be selected, i. j. record amplitude.

Takýto záznam je však latentný — prejavuje sa velmi málo na modulácii indexu lomu — pretože rozloženie jedného i druhého druhu nosičov náboja je taká, že sa ich polia navzájom kompenzuj ú.However, such a record is latent - it has very little effect on the refractive index modulation - because the distribution of both types of charge carriers is such that their fields compensate each other.

Změnu takéhoto latentného záznamu do stavu, v ktorom sa dá záznam registrovat je možno dosiahnuť tým, že sa zmenia podmienky tak, aby sa zamedzil pohyb nosičov s malou difúznou konštantou a naopak umožnil pohyb nosičov s velkou difúznou konštantou.Changing such a latent record to a state in which the record can be registered can be achieved by changing the conditions to prevent the movement of carriers with a small diffusion constant and, in turn, to allow the carriers with a large diffusion constant to move.

V dósledku difúzie sa tak vytvoří rovnomernejšie rozloženie nosičov jedného druhu, čo vedie k vytvoreniu elektrického pol’a nevykompenzovanými nosičmi elektrického náboja.As a result of diffusion, a more even distribution of the carriers of one kind is created, resulting in the formation of an electric field and uncompensated carriers of electric charge.

Popísaným spósobom je možné vytvořit opticky čitátefný záznam akustických vln v piezoelektrických fotovodivých materiáloch s hlbokými záchytnými hladinami. Nech například cez priehfadné prostredie dopadá akustická vlna na platničku monokryštalického CdS obsahuj úceho příměsi vytvárajúce hlboké záchytné hladiny. Zároveň nech je platnička CdS osvětlovaná periodicky modulovaným svetlom tak, aby sa jej elektrická vodivost měnila koherentně s akustickou vlnou.As described above, it is possible to create an optically readable recording of acoustic waves in piezoelectric photoconductive materials with deep capture levels. For example, through a transparent environment, the acoustic wave impinges on a plate of monocrystalline CdS containing impurities forming deep capture levels. At the same time, let the CdS plate be illuminated by periodically modulated light so that its electrical conductivity changes coherently with the acoustic wave.

V dósledku toho sa v platničke vytvoří priestorové rozloženie nosičov náboja, ktoré sleduje elektrické pole vytvořené vlnou v dósledku piezoelektrického javu. Toto rozloženie náboja sa prejaví i na obsadení hlbokých záchytných hladin, takže po vypnutí akustickej vlny a osvetlenia bude v materiáli přetrvávat elektrické póle vytvořené zachytenými nosičmi. Pretože CdS, podobné ako mnohé číalšie materiály, vykazuje elektrooptický efekt, přítomnost elektrického pol’a sa prejaví priestorovou moduláciou indexu lomu materiálu. Vytvořil sa teda opticky čitátefný záznam akustického pofa, ktorý je možno interferenčnými, alebo holografickými metodami sledovat.As a result, a spatial distribution of the charge carriers is created in the plate, following the electric field generated by the wave due to the piezoelectric effect. This charge distribution is also reflected in the occupation of deep capture levels, so that after the acoustic wave and illumination have been switched off, the electrical poles created by the captured carriers will persist in the material. Because CdS, like many other materials, exhibits an electro-optical effect, the presence of an electric field is manifested by spatial modulation of the refractive index of the material. An optically readable acoustic record was created, which can be monitored by interference or holographic methods.

V případe potřeby je možno vhodným zohriatím, alebo osvětlením zachytené nosiče excitovat do vodivostného pásu a tak vytvořený záznam vymazat’. Platnička je po prípadnom ochladení na póvodnú teplotu připravená pre opátovné vytvorenie záznamu.If necessary, it is possible to excite the captured carriers into the conductive strip by suitable heating or lighting and thus erase the created record. The plate is, after cooling to the original temperature, ready for recording again.

Claims

.3 the balance of free and captured carriers was rude from zero, i.e., (1) Ja (t) dt. Eak (t, x) dt 0τ If the acoustic wave is harmonic and that the electrical conductivity is modulated harmonically with the amplitude am and the frequency appropriate to the frequency of the acoustic wave, the condition (1) is satisfied. Accordingly, we obtain that the amplitude of spatial distribution of free carriers is: (2) __1 to Gm. where g is the charge of charge carriers, such as the amplitude of the electric wave generated by the acoustic wave, k is the absolute value of the waveform waveguide, D is the diffuser of the charge carriers that the space charge they form and ε is the dielectric constant. recording material. The member σ / ε in relation (2) is the Maxwellian re-laxation frequency and expresses the "braking" of the generation of an electric charge by an electric field from an already created ravage. Other materials, from the first independent movable carriers of electric charge, are present, the concentrations of which are not modulated coherently with the acoustic wave. Their concentration will be an electric field that stops the growth of the charge generated by the acoustic wave influenced by the generated ones. the electric field will compensate for the field that has been hampered by the volumetric growth of charge concentrators. In such a case, in relation hu (2), the term σ / ε does not apply, since the formation of the recording, i.e. the spatial distribution of the charge carriers of one species, will be stopped by the carrier's ibuphusion. If gripping centers are present in this material, their occupancy is re-modulated according to the layout of the movable carriers. The amplitude modulation of the carrier concentration at these centers will be proportional to the concentration of the moving carriers and the probability / capture ratio and the excitation of the carriers from the capture centers. By appropriately selecting the capture centers by selecting the probability of excitation of the captured carriers by means of appropriate illumination, temperature, etc., the amide concentration of the carriers on the collection centers, i.e., the recording amplitude, can be selected. However, such a record is latent - very little is shown on the modulation of the lo-index - because the distribution of one and the other of the charge carriers is such that their polianavas are compensated for by a change of such latent record in which the record can be registered can be achieved by changing the conditions so as to prevent the movement of carriers with a small diffusion constant and, conversely, to allow the movement of carriers with a large diffusion constant. As a result of the diffusion, a more uniform distribution of carriers of one kind is created, resulting in the formation of an electric pole by uncompensated carriers of the electric charge. It is possible to produce an optically readable recording of the acoustic waves of piezoelectric photoconductive materials with deep capture levels. For example, through a transparent environment, an acoustic wave on a monocrystalline CdS plate containing admixtures forming deep capture levels can be obtained. At the same time, the CdS plate is illuminated by periodically modulated light so that its electrical conductivity changes coherently with the acoustic wave. As a result, a plate-like distribution of the charge carriers is formed in the plate, which observes the electric field generated by the wave as a result of the piezoelectric effect. This decay is also reflected in the occupation of deep engagement levels, so that after the acoustic wave and illumination are switched off, there will be a persistent electrical pole produced by the captured carriers in the material. Since CdS, similar to many other materials, exhibits an electrooptical effect, the presence of an electric field is manifested by the spatial modulation of the refractive index of the material, thus creating an optically readable acoustic pole that can be tracked by interfering or holographic methods . If necessary, the carrier can be excited into the conductive strip by appropriate heating, or by capturing the light, to erase the record. The plate is prepared for re-creation of the record after it has been cooled down to the ground temperature. OBJECT OF THE INVENTION A method of generating an optically readable acoustic field record in electro-optical active materials exhibiting piezoelectric properties, by providing stationary spatial modulation of the carrier concentration and hence the refractive index of the material, in that the stationary spatial modulation of the index The refraction corresponding to the distribution of the recorded acoustic half creates a spatial distribution of the charge carriers by simultaneous acoustic wave co-modulation of the electrical conductivity of the material by acting on the acoustic wave.