In this thesis work, the photorefractive two wave mixing in Fe-doped $LiNbO_3$ crystal has been studied. Experiments have been performed with a crystal, where the diffusion and the photovoltaic effect contribute to the charge transport mechanism with about the same order of magnitude. In contrast with the diffusion dominant or drift dominant process, somewhat different dependencies of the energy transfer effect and the diffraction efficiency upon experimental parameters such as grating spacing and beam intensity ratio have been observed, and compared with theoretical calculation.
We have observed a significant transient energy transfer between two writing beams without applying any external electric field, which had been reported to be observed with applying a large electric field. In addition, we have observed that a self enhancement effect may occur without respect to the direction of the reading beam, while the previous authors had reported that a self enhancement occurs only when the reading beam has the component in +c axis direction.
Possible application fields including the coherent light amplification are discussed. Methods for improving the characteristics such as a response time are suggested.
본 논문에서는 철이 함유된 $LiNbO_3$ 결정에서의 2광파혼합현상이 연구되었다. 실험에 사용한 결정은 철이온 이외의 불순물들로 인해 불순물이 없는 경우의 결정에서 보다 전자의 lifetime이 상당히 짧아서, 광전압 효과 (Photovoltaic effect)가 상당히 크게 나타났으며, 반응속도 ( response time ) 가 느려지는 현상을 볼 수 있었다. 특히, 광전압 효과에 의한 내부전장이 분산작용 ( diffusion process ) 에 의한 전장보다 3∼30배정도 큰 값을 갖게 되어, 여태까지 보고되었 던 분산작용만이 주요할때의 2광파혼합실험의 특성과는 다른 특성을 관찰하였고, 이러한 특성을 이론치와 비교 검토하였다.
특히 외부전장을 인가하지 않고서도 과도상태 에너지천이가 크게 일어날 수 있음을 관찰하였다. 여태까지 보고된 바로는 과도상태 에너지 천이를 관찰하기 위해서는 5kV/cm 이상의 큰 외부전장을 걸어주어야 한다고 알려져 있었으나, 이번 실험에서는 내부 등가 광전압효과 전장이 6kv/cm정도로 커서, 이것이 외부전장의 효과를 내신한 것으로 볼 수 있다.
또한 여태까지 알려진 바와는 달리, 홀로그램 read-out시에 일어나는 self-enhancement 현상이 reading-beam 의 방향과 무관하게, 즉 R-beam reading 이나 S-beam reading 에서 모두 발생할 수 있음을 실험적으로 관찰하고 물리적인 해석을 하였다.
에너지 천이, 회절 효율, 반응 속도 등이 여러가지 실험 parameter 들에 대해 측정, 검토되었다. 광 증폭기로서 사용할 수 있는 가능성을 검토하기 위해, 격자간격 ( 공간주파수 ) 과 beam 세기 비율에 대한 증폭율의 변화를 측정, 비교하였고, 광정보저장 system으로 사용할 때, 최대 회절효율을 얻을 수 있는 실험 parameter 들이 광전압전장 대 분산전장의 비율에 따라 크게 변한다는 것을 보였다.
그 이외의 응용분야에 대해 간단히 언급하였고, 반응속도를 줄일 수 있는 방법 등의 개선책에 관해서도 제시하였다. 본 논문에서 행한 연구는 광굴절 효과 ( photorefractive effect )를 이용한 부피 홀로그램의 기록, 에너지 천이, read-out 등의 특성이 전하이동작용 ( charge transport mechanism )의 구성비에 따라 어떻게 달라지는가를 이해하여, 광증폭기나 기록용 소자로 이용할 때 최대 효율을 얻을 수 있는 parameter 들을 찾을 수 있게 하였고, 또한 덧붙여 4 광파 혼합 실험으로 위상공액파를 발생시키는 실험을 위한 기초를 닦았다고 할 수 있다.
