ENREGISTREMENT HOLOGRAPHIQUE FIXATION ET EFFACEMENT ÉLECTRIQUE DANS DES MONOCRISTAUX DE BaTiO3 DOPÉS

HAL Id: jpa-00214986

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Submitted on 1 Jan 1972

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ENREGISTREMENT HOLOGRAPHIQUE FIXATION ET EFFACEMENT ÉLECTRIQUE DANS DES

MONOCRISTAUX DE BaTiO3 DOPÉS

F. Micheron, G. Bismuth

To cite this version:

F. Micheron, G. Bismuth. ENREGISTREMENT HOLOGRAPHIQUE FIXATION ET EFFACE-

MENT ÉLECTRIQUE DANS DES MONOCRISTAUX DE BaTiO3 DOPÉS. Journal de Physique

Colloques, 1972, 33 (C2), pp.C2-147-C2-148. �10.1051/jphyscol:1972250�. �jpa-00214986�

JOURNAL DE PHYSIQUE

Colloque C2, supplément au no 4, Tome

Avril 1972, page C2-147

ENREGISTREMENT HOLOGRAPHIQUE FIXATION ET EFFACEMENT ÉLECTRIQUE DANS DES MONOCRISTAUX DE BaTiO, DOPÉS (*)

F. MICHERON et G . BISMUTH Thomson-CSFILCR, 91, Orsay, France

Résumé. -

Nous avons démontré expérimentalement que le dopage en ions Fe3+ ou Nizf accroît l'efficacité de diffraction d'hologrammes enregistrés par variation induite de biréfringence, alors que le dopage en ions Nbsf produit l'effet inverse. Des hologrammes stables ont été obtenus en appli- quant au cristal une impulsion de champ électrique d'amplitude légèrement inférieure au champ coercitif, l'effacement se produit en soumettant le cristal au champ électrique de saturation.

Un grand nombre de groupes de recherche ont montré la possibilité de créer des hologrammes de phase dans les cristaux électrooptiques depuis que Ashkin et al. [l] ont découvert l'effet de «dommage

optique ».

Cet effet apparaît dans les cristaux contenant des électrons photoexcitables et des pièges profonds.

Lorsqu'ils sont photoexcités, les électrons se déplacent sous l'effet du champ électrique local, comme l'a montré Chen [2], ou diffusent dans le cristal le long de l'axe polaire comme l'ont suggéré Johnston [3] et Amodei [4]. Ils sont alors piégés dans les régions obscures. La nouvelle répartition des électrons entraîne des variations locales de biréfringence par effet électro- optique. 11 est donc possible d'enregistrer dans ces cristaux des hologrammes de phase par interférence de

deux faisceaux de lumière cohérente.

Les hologrammes ainsi enregistrés ne sont pas stables, puisque les vibrations thermiques du réseau, et a fortiori, l'éclairage uniforme du cristal (à la lecture) entraînent la redistribution uniforme des photo- électrons 151.

Ces types d'expériences ont été effectuées par Townsend [6] sur des cristaux de BaTiO, non dopés.

L'effacement thermique se produit à température ambiante en moins d'une seconde. Nous avons supposé que le dopage de BaTiO, en ions donneurs entraînerait la formation de pièges profonds qui accroîtraient l'effet de dommage optique, et de telles expériences ont été entreprises pour vérifier cette hypothèse.

Des cristaux de BaTiO,, dopés en Fe3', Ni2' ont été fabriqués par la méthode du flux par Arend, Confova et Novak [7], [SI. Des plaquettes de 100

d'épaisseurs ont été polarisées à l'aide d'un champ de 10 kV/cm, soit normal soit parallèle aux faces des plaquettes. Dans le cas des plaquettes à domaines « C » (Fig. la) la normale aux faces faisait un angle de 450 avec la bissec- trice B de l'angle formé par les deux faisceaux du laser

(A

4 880 A). Dans le cas des cristaux à domaines

« a », l'enregistrement holographique a été effectué avec l'axe C perpendiculaire

la bissectrice (Fig. lb).

Electrodes transparentes

Faisceau

Image . ! !

Faisceau

Référence '

Source

verre tension +ou -

FIG. la. - Montage

expérimental dans

cas

domaine

Electrodes laque d'argent

w

FIG. 16. - Cas des

domaines

L'évolution du rendement de diffraction y des holo- grammes formés a été suivie en mesurant le faisceau diffracté d'un laser He-Ne de faible puissance.

La figure 2 représente le résultat de ces mesures, en fonction du type et de la concentration du dopant, ainsi que de la densité d'énergie lumineuse d'inscrip- tion W.

(*)

Recherche

contrat

Le rendement de diffraction atteint 2,5 x dans

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1972250

C2-148 F. MICHERON ET G. BISMUTH

+.

ment se produit en moins de 5 s sous une illumination

1 1 1 1 ~ 1

5x10~~

~ / c r n :

5 50 500

FIG. 2. - Rendement de diffraction de réseaux holographiques dans les cristaux de BaTiO3. Epaisseur 100 p, concentration en

mole

%,

A.

les cristaux non dopés, pour W

500 W/cm2.

11 est remarquable de constater qu'un dopage à 0,25 mole % Fe3+ augmente le rendement de deux ordres de grandeur ; le dopage en Ni2+, en concentra- tions semblables semble moins efficace. De plus, pour une concentration de 0,65 mole % en Fe3+, le rende- ment de diffraction est inférieur

celui obtenu pour une concentration de 0,25 mole % en Fe3+ ; les diffé- rences entre les pertes par transmission des deux échan- tillons sont trop faibles pour expliquer cette anomalie.

A température ambiante, la constante de temps de l'effacement thermique (dans l'obscurité) est de 300 s pour les cristaux dopés à 0,24 mole % en Fe3+, et 100 s pour ceux dopés à 0,30 mole % en Ni2+, soit supérieure de deux ordres de grandeur à celle des cristaux non dopés.

Des mesures semblables ont été effectuées sur des cristaux dopés en Nb5+ [9]. Le rendement de diffraction est faible à 500 W/cm2) et l'effacement ther- mique se produit en moins de 0,l

Pour des concen- trations supérieures à 0,l mole % de Nb205 dans le flux, les cristaux ne présentent plus de dommage optique mesurable.

De plus, des expériences ont été réalisées pour cher- cher à fixer des hologrammes enregistrés. En effet, dans les cristaux dopés à 0,l mole % en Fe3 +, l'efface-

uniforme de densité 50 W/cm2. Récemment, Amo- dei 1101 a montré que l'on peut fixer les hologrammes en provoquant thermiquement une augmentation de la mobilité des ions qui, dans ces conditions, se déplacent sous l'effet du champ interne.

Le chauffage d'un cristal de LiNbO, à lOOOC pendant 30 mn, pendant ou après l'enregistrement donne lieu

l'apparition d'un hologramme stable lorsqu'il est rééclairé à température ambiante.

Les déplacements ioniques ont compensé la modula- tion du champ électrique interne causé par les dépla- cements électroniques. A température ambiante, la nouvelle répartition ionique est figée ; une illumination uniforme du cristal fait migrer les électrons qui laissent non compensée la nouvelle répartition ionique. Cette répartition est stable puisque la mobilité ionique est faible et que les ions sont non photoexcitables.

Dans les cristaux ferroélectriques tels que BaTiO, et KNbO,, des déplacements ioniques rapides apparais- sent au voisinage du champ coercitif E,. En appliquant un champ électrique légèrement inférieur à E,, on peut espérer fixer les hologrammes par une méthode élec- trique, au lieu de la méthode thermique utilisée par Amodei. Les expériences entreprises ont confirmé cette hypothèse.

Les expériences de fixation électrique ont été entre- prises dans des cristaux de BaTiO,, dopés à 0,l mole %

en Fe3+, dans lequel des réseaux holographiques avaient été enregistrés. Nous avons observé qu'après avoir appliqué une impulsion de durée 0,l s, d'ampli- tude E

0,9 E, le temps de stockage était d'environ 5 h lorsque le cristal était soumis à une densité d'énergie lumineuse de 50 W/cm2. Le gain en temps de stockage est donc supérieur à 10". L'effacement de l'hologramme est provoqué par l'application d'un champ électrique assez élevé pour saturer la polarisation (10 kV/cm pendant

s).

En conclusion, nous pensons que le dopage de BaTiO, en donneurs d'électrons tels que Fe3

et Ni2+

entraîne la formation de pièges assez profonds pour accroître l'effet de dommage optique. Ces pièges pou- vaient être les lacunes d'oxygène. Le dopage en ions Nb5+ crée des pièges compensés par des électrons non photoexcitables à 1

4 880 A.

Les déplacements d'ions ou de lacunes par applica-

tion d'un champ électrique d'amplitude légèrement

inférieure à celle du champ coercitif est responsable du

processus de fixation des hologrammes. Des informa-

tions supplémentaires sur la nature des porteurs doi-

vent être obtenus par des mesures de conductivité, de

thermo et photocourant, de spectre d'absorption dans

les conditions de champ électrique citées. La recherche

de dopants et de leur concentration pourrait conduire à

réduire les temps d'écriture, de fixation et d'efface-

ment, ce qui permettrait l'emploi de cristaux et de

couches minces ferroélectriques dans de nouvelles

mémoires optiques.