PRESENTATION DE L’EFFET PHOTORÉFRACTIF

Propriétés générales

L’effet photoréfractif a été découvert en 1966 par Ashkin et al. aux laboratoires Bell lors d’expériences d’optique non-linéaire (doublement de fréquence) dans des cristaux de LiNb03et LiTa~. Ds remarquèrent en effet une lente altération photoinduite du front d’onde des faisceaux se propageant dans ces cristaux. Ce phénomène induit une dérive des performances des doubleurs optiques. D fut donc appelé « dommage optique ». On s’aperçut plus tard de son intérêt pour réaliser des dispositifs optiques non-linéaires. Lorsqu’il est utilisé pour ces réalisations, il prend alors le nom d’effet photoréfractif. Cet effet est présent dans des cristaux ferroélectriques tels que LiNb03, LiTa03′ KNb03, BaTi03, dans des cristaux paraélectriques comme Bi1zSiOzo (BSO), BilZGeOZO (BGO), Bi1zTiOzo (BTO), dans certains semi-conducteurs tels que GaAs, InP [1]. Un cristal photoréfractif possède deux propriétés importantes: t:> D est photoconducteur: illuminé dans sa bande de transparence, des électrons (ou des trous) sont excités, à partir de niveaux donneurs situés dans la bande interdite, vers la bande de conduction (ou de valence). De cette photoexcitation des porteurs de charge à partir d’une figure d’interférence, il résulte une modulation spatiale de la densité des porteurs de charge et des niveaux donneurs. Sous l’effet de la diffusion et d’un éventuel champ électrique, ces porteurs libres migrent avant de se recombiner dans les niveaux situés dans la bande interdite. D se crée ainsi un réseau de charge d’espace lié au réseau d’ions. t:> D est électrooptique. Le champ électrique associé au réseau de charge d’espace appelé champ de charge d’espace engendre par effet électrooptique un réseau d’indice de réfraction. . Première Partie 9 Les principales caractéristiques du phénomène sont les suivantes. o Sa sensibilité à l’énergie reçue et non à la puissance crête. On peut utiliser cet effet dans des expériences d’optique non-linéaire avec des lasers continus et de faible puissance. o Il est non local. La modulation d’indice est déphasée par rapport au réseau d’illumination. Nous montrerons que cela permet un transfert d’énergie entre deux faisceaux cohérents par couplage d’onde. Le sens du transfert est indépendant des intensités respectives des faisceaux mais dépend de la direction de propagation et des polarisations des ondes par rapport aux axes cristallographiques. o Sa réversibilité. Un réseau inscrit dans le matériau est effacé par une illumination uniforme. o Son effet mémoire. Le cristal étant isolant ou semi-isolant dans le noir, la distribution de charges est figée et un réseau construit persiste. Cette durée de mémorisation est fonction du temps de relaxation diélectrique du cristal. Elle peut aller de quelques microsecondes pour les semi-conducteurs jusqu’à plusieurs années pour les isolants. Ces propriétés confèrent à ces matériaux un intérêt particulier en ce qui concerne leurs applications pour le contrôle holographique de matériaux en temps réel [2], le stockage optique de l’information [3], les fonctions logiques [4-6], les cavités auto-oscillantes [7-10], l’amplification optique [1].

Modèle théorique

Le modèle d’évolution temporelle du champ de charge d’espace rendant compte des résultats présentés dans ce mémoire est le modèle de transport de bande avec le développement proposé par Kukhtarev [11]. Nous étendrons ce développement au second ordre pour rendre compte des résultats obtenus sur des cristaux de BOO. Le phénomène de couplage à deux ondes sera ensuite décrit. 10 Première Partie a) Cinétique du chomp de charge d’espace. Suivant les matériaux, différentes hypothèses doivent être retenues pour décrire révolution temporelle du champ de charge d’espace. Nous prenons ici celles qui s’appliquent aux cristaux de sillénites que nous avons employés. Le modèle adopté ne fait donc intervenir qu’un seul type de porteurs de charge libres, les électrons, excités à partir de centres ionisables situés dans la bande interdite du matériau. Nous noterons n la densité d’électrons libres, ND – N~ celle des centres ionisables où ND est la densité de ces centres. L’existence des centres ionisés N~ en l’absence d’illumination est due à la présence de pièges de densité NA au voisinage de la bande de valence. Sans illumination, on a N~ = NA (neutralité électrique). Les centres de densité NA n’interviennent pas dans l’effet photoréfractif.