Преобразование широкополосного излучения в кристаллах методами нелинейной оптики и электрооптики

ОГЛАВЛЕНИЕ
Глава 1.
1.1.
1.2.
1.3.
1.4.
Глава 2.
2.1.
2.2.
2.3.
2.4.
Глава 3.
3.1.
3.2.
3.3.
3.4.
3.5.
3.6.
Глава 4.
4.1.
4.2.
4.3.
4.4.
4.5.
4.6.
4.7.
Введение 4
Электрооптическая модуляция и преобразование 11
излучения в кристаллах
Определение качества оптических кристаллов и 11
исследование оптических свойств
Электрооптическая модуляция света в кристаллах 15
Нелинейнооптическое преобразование излучения в 20
одноосных кристаллах
Влияние 'различных факторов на спектральный состав 28
преобразованного излучения
Объекты и методы исследования. Приемники излучения 32
и поляризационные свойства кристаллических пластин
Оптические свойства кристаллов 32
Пироэлскгрический приемник излучения па инфранизких 41
частотах модуляции
Координатно-чувствительный приемник излучения 48
Ориентационная зависимость пропускания системы 52
поляризатор-кристалл-кристалл-анализатор
Влияние внешних воздействий на оптические свойства 61
кристаллов
Коноскопические фигуры оптических кристаллов 61
Исследования оптической неоднородности кристаллов 67
бесконтактным методом
Анализ индикатрисы фагоиндуцированного рассеяния света 71
в кристаллах ниобата лития
Электрорефракция в кристалле ниобата лития 75
Элсктрогирация в кристалле ниобата лития 79
Особенности вольт-амиерных характеристик кристалла 81
ниобата лития в области высоких напряжений Электрооптическая модуляция свега 85
Особенности изменения индикатрисы показателя 85
преломления кристаллов во внешнем электрическом поле Изменение угла между индуцированными оптическими 93
осями ниобата лития во внешнем электрическом поле Экспериментальное определение угла между наведенными 97
оптическими осями кристалла ниобата лития во внешнем электрическом поле
Электрооптичсский метод определения направлений кристаллофизических осей в кристалле ЫЫЬОз Модуляция монохроматического излучения в кристалле ЫМЬОз
Определение угловых характеристик амплитудных
электрооптичсских модуляторов
Модуляция интенсивности лучей в призме типа ромба
100
104
109
120
2
Френеля
4.8. Элсгарооптический затвор немонохроматического света на 122
кристалле ниобата лития
Глава 5. Спектральное преобразование широкополосного 127
излучения
5.1. Расчет спектра преобразованного широкополосного 127
излучения в кристалле ЬіКЬ03 для случаев коллинеарного и векторного взаимодействя
5.2. Спектры преобразованного ИК-излучения в кристалле 131
1лЫЬ03
5.3. Преобразование излучения в кристалле иодата лития 139
5.4. Экспериментальные исследования спектральных 144
харакгсристик преобразователя теплового изображения
Глава 6. Управление спектральным составом преобразованного 150
излучения
6.1. Экспериментальные исследования преобразованного 150
широкополосного излучения по частоте в нелинейно-оптическом кристалле
6.2. Влияние температуры объекта на процесс преобразования 155
ИК-излучения
6.3. Зависимость состава преобразованного излучения от 163
ширины спектра теплового излучения
6.4. Влияние поляризации ИК излучения па спектр 166
преобразованного излучения
6.5. Повышение эффективности нелинейно-оптического 168
преобразования теплового излучения за счет использования нескольких кристаллов
6.6. Электрооптичсское управление преобразованным 172
излучением
Глава 7. Элекгрооптические модуляторы и затворы 178
немонохроматического света
7.1. Электрооггтический модулятор немонохроматического света 178
7.2. Линейный эффект Керра 186
7.3. Электрооптический затвор на лилейном эффекте Керра 194
Заключение 197
Библиографический список 201
3
ВВЕДЕНИЕ
Использование света, излучаемого лазером или мощным нелазерным источником, приводит к нелинейному взаимодействию поля световой волны со средой, при котором нарушается принцип суперпозиции, создаются условия для генерации излучения на кратных частотах, а также суммарных и разностных частотах. Это происходит из-за того, что напряженность поля световой волны становится соизмеримой с внутренними полями в кристаллах. Нелинейно-оптические кристаллы широко используются в качестве преобразующих и управляющих элементов во многих оптоэлектронных приборах [1].
Среди устройств, использующих принципы нелинейной оптики, особое место занимают -преобразователи теплового широкополосного излучения. Генерация суммарных частот используется в «ап-конверторах», то есть преобразователях частоты вверх, с их помощью оптические сигналы инфракрасного (ИК) диапазона трансформируются в видимую область, что применяется для визуализации тепловых инфракрасных объектов [2]. В последнее время вызывают интерес процессы преобразования по частоте излучения с широким спектром в нелинейных оптических кристаллах. Было показано, что при одинаковых уровнях накачки эффективность преобразования широкополосного излучения может быть даже значительно выше, чем для лазерного излучения [3]. Основным преимуществом в данном способе преобразования ИК изображения является отсутствие геометрических искажений, изображения.
При приложении внешнего электрического поля изменяются показатели преломления обыкновенного и необыкновенного лучей, что сказывается на синхронных взаимодействиях световых волн, а, следовательно, и на спектре преобразованного излучения. Перспективны для использования методы управления процессами преобразования, основанные на электрооптической модуляции излучения на частоте второй и третьей гармоники, так как электрооптический эффект является очень быстрым.
Процессы преобразования излучения в оптическом кристалле подвержены влиянию внешних воздействий. В результате взаимодействия высокоинтенсивного оптического излучения с кристаллами в последних могут возникать изменения оптических свойств в результате
4
термооптического и фоторефрактивпого эффекта, что влияет на работу оптоэлектронных устройств. Кроме этого, электрические ПОЛЯ, управляющие изменениями показателя преломления, могут вызывать долговременные изменения оптических свойств, которые необходимо контролировать в процессе эксперимента.
В связи с вышесказанным, исследование особенностей преобразования излучения с широким спектром в нелинейнооптических кристаллах, а также изучение влияния воздействий внешнего электрического поля и температуры на оптические свойства данных материалов является актуальным.
Цель работы - выявление особенностей и закономерностей нелинейно-оптического преобразования широкополосного ИК излучения и развитие методов управления спектральным составом и интенсивностью преобразованного излучения в нелинейных анизотропных кристаллах.
Задачи работы
Для достижения указанной цели в работе поставлены следующие задачи:
1. Изучить характер распределения оптической неоднородности кристаллов по совокупности коноскопических фигур в процессе наведения этих изменений при наложении электрического поля и неоднородном нагревании кристалла. Определить зависимость угла между наведенными оптическими осями в кристалле ниобата лития от напряженности внешнего электрического поля по виду коноскопической картины. Исследовать возможность записи элекгрооптических изменений показателя преломления в кристаллах ниобата лития.
2. Предложить схему электрооптического затвора, позволяющего управлять интенсивностью немоиохроматического излучения малой угловой апертуры (1 градус) и электрооптического модулятора для управления интенсивностью немонохроматического излучения, стабильно работающего в широком диапазоне температур.
3. Исследовать влияние степени фокусировки широкополосного ИК излучения, температуры ИК объекта, поляризации и ширины спектра исходного излучения на процессы ап-конвсрсии в нелинейно-оптических преобразователях ИК излучения.
5
4. Провести анализ возможности расширения спектра преобразованного по частоте вверх излучения за счет использования нескольких кристаллов с различными направлениями синхронизма и экспериментально проверить такую возможность.
5. Исследовать процесс преобразования немонохроматического ИК излучения с ультрафиолетовой широкополосной накачкой в видимую область спектра при реализации процесса генерации разностных частот.
6. Для центросимметричных кристаллов выявить возможность осуществления четырехволнового взаимодействия немонохроматического излучения для случая, когда одна из взаимодействующих волн является низкочастотной электрической волной, управляющей интенсивностью преобразованного промодулированного излучения.
7. Провести экспериментальные исследования легированных кристаллов ниобата лития как чувствительных элементов в приемнике теплового излучения инфранизкой частоты и предложить аналитическую модель, описывающую вклад различных составляющих в фотоотклик.
Методы исследования
Для достижения поставленной цели использованы теоретические и экспериментальные методы исследования, а именно: спектроскопический, фотоэлектрический, фотографический, электрооптический,
коноскопический.
Научная новизна работы
1. Предложен новый метод определения степени однородности кристалла по совокупности коноскопических фигур с использованием персонального компьютера для анализа фигур и определения величины и координат областей с наведенной неоднородностью показателя преломления, позволяющий получить топологию индуцированных изменений показателя преломления в процессе воздействия на кристалл электрических, тепловых и механических полей.
2. Впервые предложен метод определения параметров электрооптического модулятора (полуволновое напряжение, глубина модуляции, угловая апертура) по степени изменения коноскопических
6
фигур. Изменение вида центральной части коноскопической фигуры одноосного электрооптического кристалла под действием внешнего электрического поля предложено использовать для создания электрооптического затвора немонохроматического излучения.
3. Обнаружен эффект электрорефракции, заключающийся в долговременном сохранении изменений показателя преломления после удаления внешнего электрического поля.
4. Показано, что использование различных типов взаимодействия волн и степени фокусировки излучения определяет спектральный состав и интенсивность преобразованного по частоте вверх излучения и предложены -новые схемы, позволяющие управлять спектром преобразованного излучения, а именно, увеличить его спектральную ширину и интенсивность.
5. Обнаружен оптический эффект Керра, ' линейный по модулирующему электрическому полю, заключающийся в том, что в центросимметричных кристаллах возможна генерация излучения на суммарной частоте двух взаимодействующих световых волн, причем интенсивность преобразованного излучения прямо пропорциональна напряженности электрического поля третьей волны, низкочастотной.
Практическая ценность работы
Все полученные в диссертационной работе результаты и используемые методы могут служить основой для создания новых оптических приборов и устройств. Предложена схема электрооптического модулятора широкополосного излучения, работающего в широкой области температур и приемника излучения, позволяющего регистрировать тепловое излучение при инфранизких частотах модуляции излучения от теплового объекта. Коноскопический метод является перспективным в неразрушающих методах контроля распределения неоднородностей в кристаллах и определения направления кристаллографических осей электрооптических осей кристаллов.
Связь с государственными программами и НИР
Диссертационная работа автора связана с научно-исследовательской госбюджетной темой Министерства транспорта РФ «Анизотропное от-
7
ражение и электрооптические свойства кристаллов», выполняемой на кафедре физики Дальневосточного государственного университета путей сообщения. Часть результатов получена при поддержке Инновационнообразовательной программы, выполняемой в ДВГУПС.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались на международных, всероссийских и региональных конференциях:
1. «Modem problems of laser physics», International symposium, Новосибирск, Россия, 1997, 2000, 2004, 2006.
2. «ICONO-98» (XVI Международная конференция но когерентной и нелинейной оптике, КИНО’98), Москва, 1998.
3. Международном симпозиуме (Первые, Вторые, Третьи Самсоновские Чтения) «Принципы и процессы создания неорганических материалов», Владивосток, Хабаровск, 1998, 2002, 2006.
4. «Выпускник НГУ и научно-технический прогресс», межд. конф., Новосибирск, 1999.
5. «Оптика-99», «Оптика-2001», «Оптика-2003», «Оптика-2005», межд. конф. молодых ученых и специалистов, Санкт-Петербург, 1999, 2001, 2003, 2005.
6. «Young people & scientific progress. Ill international student's congress of the Asian Pacific Region countries». Владивосток, 1999.
7. «X Conference on Laser Optics». First International Conference for Young Scientists on Laser Optics, Санкт-Петербург, 2000.
8. Ill, IV, V Международной конференции «Радиационно-термические эффекты и процессы в неорганических материалах».- Томск, ТПУ, 2002, 2004, 2006.
9. VI Международной конференции «Кристаллы: рост, свойства, реальная структура, применение». Александров, 2003.
10. Азиатско-Тихоокеанском Конгрессе «Fundamental Problems of Optoelectronics and Microelectronics И», Хабаровск, 2004.
11. «Международном форуме по проблемам науки, техники и образования», Москва, 2004.
12. «International Symposium of Domain Structure 2005», Екатеринбург, 2005.
13. Пятой региональной научной конференции «Физика: фундаментальные и прикладные исследования, образование» - Хабаровск: ХГПУ, 2005.
8
14. «Laser Optics», Санкт-Петербург, 2006,2008.
15. Международном оптическом конгрессе «Оптика - XXI век» — Санкт-Петербург, 2002, 2006, 2008.
16. Научной сессии МИФИ-2007, МИФИ-2008, МИФИ-2009, Москва, 2007, 2008, 2009.
Публикации и личный вклад автора
По результатам работы лично автором и в соавторстве опубликована 41 научная работа [5-45], в том числе 1 монография, 3 патента на изобретение, 2 патента на полезную модель, 2 зарегистрированные программы для ЭВМ, 21 публикация в изданиях, рекомендованных ВАК РФ и 5 публикаций на английском языке в сборниках трудов SPIE. Большая часть экспериментов и расчетов проведена автором самостоятельно.
Основные защищаемые положения
1. Обнаруженные интерференционные аномалии в виде двойных коноскопических фигур в призмах полного внутреннего отражения возникают за счет разбиения при отражении от грани призмы обыкновенных и необыкновенных лучей на s- и р- компоненты и образованием двух пучков лучей, которые формируют на экране две коноскопические фигуры.
2. Решетка коноскопических картин позволяет при неоднородном нагреве или при приложении электрического поля к кристаллу ниобата лития определить направления кристаллофизических осей при известном направлении электрического поля, координаты неоднородностей кристалла, величину наведенного двулучепреломления с точностью порядка 10‘5, характер распределения электрического поля и его направление в электрооптическом кристалле.
3. Экспериментально доказано, что в кристалле ниобата лития возможен эффект электрорсфракции - запись и считывание электрооптических изменений показателя преломления.
4.Выявленные и исследованные новые закономерности преобразования по частоте инфракрасного широкополосного излучения в видимую область спектра в кристаллах КТР, ЬйЧЬОз, LÜO3 показали, что эффективность преобразования возрастает при продвижении в коротковолновую область
9
спектра. При фокусировании широкополосного инфракрасного излучения в кристалл за счет векторных взаимодействий наблюдается смещение спектрального максимума в преобразованном излучении относительно частоты коллинеарного синхронизма и значительное расширение частотного спектра. Ширина и форма спектра преобразованного излучения определяются вкладом разных типов взаимодействий.
5. Спектральным составом преобразованного излучения можно управлять в диапазоне более 100 нм за счет изменения поляризации излучения, фокусного расстояния объектива, угла между осыо исходного пучка и оптической осью нелинейнооптического кристалла и за счет электрооптического эффекта (направление фазового синхронизма изменяется при этом в достаточно большой области углов (~2-2,5°)). Увеличение интенсивности и расширение спектра преобразованного излучения происходит при использовании в нелинейно-оптическом преобразователе нескольких кристаллов с различной ориентацией оптической оси-.
6. Установлено, что электрооптический эффект Керра, линейный по модулирующему полю, позволяет реализовать векторные трехволновые взаимодействия в центросиммстричных нелинейно-оптических кристаллах. Линейный эффект Керра позволяет создать высокоскоростной оптический затвор, работающий с переносом спектра из инфракрасной области в видимую.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, заключения и списка литературы. Работа содержит 221 страницу машинописного текста, ' список литературы содержит 255 наименований.
10
ГЛАВА 1. ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКАЯ МОДУЛЯЦИЯ И ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ В КРИСТАЛЛАХ
1.1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КАЧЕСТВА ОПТИЧЕСКИХ КРИСТАЛЛОВ И ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
Для электрооптических и нелинейно-оптических кристаллов, применяющихся в оптическом приборостроении, важную роль играет оптическое качество кристаллов. При воздействии механических напряжений вследствие упругооптического эффекта или при воздействии электрического ноля вследствие электрооптического эффекта возникает оптическая неоднородность кристалла, проявляющаяся в неоднородности оптических свойств по объему кристалла. Оптическая неоднородность также может быть обусловлена наличием температурных градиентов, приводящих к возникновению неоднородных по сечению кристалла деформаций . [12,14,32,46,47]. Оптическая неоднородность -неоднородность показателя преломления — возникает под действием механических напряжений вследствие упруго-оптического эффекта или под действием электрических полей вследствие электрооптического эффекта. Оптическая неоднородность является прямым следствием структурной неоднородности и обычно проявляется как аномальное двупреломление при прохождении света в системе ноляризатор-кристалл-анализатор.
Для оценки неоднородности кристалла или кристаллического оптического элемента чаще всего используются поляризационнооптические методы [46-52]. Эти методы особенно удобны при исследовании одноосных кристаллов, когда при прохождении света вдоль оптической оси кристалла, находящегося между скрещенными поляроидами, следует ожидать полного затемнения. В действительности полного затемнения не наблюдается, так как в одноосных кристаллах неоднородность приводит к gradя и аномальной двуосности, которую нельзя скомпенсировать поворотом плоскости анализатора.
Для определения оптической однородности кристалла или кристаллического элемента используются несколько характеристик, к
числу которых относятся: остаточный световой поток (ОСП),
контрастность, аномальная двуосность и эллиптичность.
Остаточный световой поток 1осг определяется (%) как [46]
1ост = (Ы1ц)100, (1.1.1)
где Н и 1ц - интенсивность света, прошедшего через систему поляризатор -кристалл - анализатор вдоль оптической оси кристалла при скрещенных и параллельных поляризаторах соответственно.
Для электрооптических элементов в качестве критерия однородности часто используются коэффициент контрастности Кк и коэффициент эллиптичности Кэ. Коэффициенты контрастности при скрещенных КХк и параллельных К^к поляроидах определяются выражениями
К^1фиг)/1т; (1.1.2, а)
Кк — ^п(о) / ^И(Уд/2) * (1.1.2, б)
Здесь и 1Шлп) - интенсивность света, прошедшего через систему
поляризатор - кристалл - анализатор, при воздействии на кристаллический элемент полуволнового напряжения; /1(0) и /11(0) - интенсивности света,
прошедшего через систему поляризатор - кристалл - анализатор при и = 0. Коэффициенты эллиптичности определяются выражениями
К, = /и(о)I/до) > • (1.1.3, а)
К» ~ /дс/ди^/дс/д,,) • (1.1.3, б)
Существенным недостатком этих критериев является то, что они
я/
д
(я/ '
связаны с Ап не прямо, а через функции типа бш2 —Ап , где X - длина
волны света; 1 - длина кристалла.
ОСП, Кэ и Кк измеряются при полной апертуре луча, проходящего через кристалл, и являются интегральными характеристиками неоднородности. Наблюдение кристалла, находящегося между скрещенными поляроидами, выявляет картину неоднородности в виде светлых и темных пятен.
Для исследования оптической неоднородности кристаллов чаще всего применяются интерференционно-поляризационные методы.
Интерференционный поляризационный метод исследования, основанный
12
на пьезооптическом эффекте, дает возможность непосредственно видеть распределение механических напряжений внутри кристалла. По интенсивности и цветам возникающей интерференционной картины можно измерять величины, знаки и распределение механических напряжений. Однако количественные расчеты напряжений удается проводить лишь для немногих ориентировок, в которых направление осей оптической индикатрисы для индуцированного двулучепреломления совпадают с направлениями главных напряжений [53].
Величину индуцированного двулучепреломления можно определить, измерив угол между оптическими осями [54]. В работе [14] показано, что по величине наведенного двулучепреломления можно определить значение эффективного электрического поля в данной области кристалла.
Определение ориентировки оптической индикатрисы и угла между индуцированными оптическими осями при сильном искажении оптической индикатрисы проводят с помощью поляризационного микроскопа. При измерении малых углов 2У<5° применяют специальные оптические системы [55] или приставки к обычному поляризационному микроскопу
[56]. Для измерения силы наведенного двупрсломления используются различные типы оптических компенсаторов [57].
Одним из актуальных и современных методов исследования физических свойств кристаллов являются наблюдение и регистрация коноскопических фигур [9,49,50]. В работах [51,52] описан метод наблюдения аномальной двуосиости, при котором на поверхность кристалла, находящегося между скрещенными * направлениями пропускания поляризаторов, помещали небольшие стеклянные полусферы. Данный метод позволяет получить представление о распределении ориентировок оптических осей и величины угла между оптическими осями в кристалле.
В работах [58,59] предложены методы контроля качества оптических сред, основанные на измерении пироэлектрического отклика от лазерного пучка [59] и визуализации параллельных доменов посредством пироэлектрооптического эффекта [59].
Общепризнанным и наиболее надежным способом проверки качества нелинейного кристалла является исследование зависимости мощности генерации второй гармоники от температуры [60]. Для численной оценки качества нелинейного кристалла используется понятие эффективной
13
длины взаимодействия 1^фф, которая может быть меньше или равна длине кристалла в направлении распространения взаимодействующих волн. Эффективная длина взаимодействия является мерой активной длины нелинейного кристалла, на которой сохраняется согласование фаз. Если ЛЭфф равна длине кристалла, значит этот кристалл хорошего качества.
В работе [61] проанализирована природа возникновения оптической неоднородности (остаточный световой поток), ее связи с реальной структурой (доменной, блочной, дислокационной). Возникновение остаточного светового потока (ОСП) в направлении оптической оси ЫЫЬОз, связанное с существованием локальных областей, обладающих двулучепреломлением, запрещенным симметрией кристалла, обусловлено реальной структурой кристалла: дислокационной структурой, являющейся причиной появления компонент электрических полей, перпендикулярных полярной оси кристалла и вызывающих локальный электрооптический эффект, и дефектных кластеров, являющихся причиной возникновения локальных механических напряжений. Температурное и релаксационное поведение ОСП позволило авторам сделать вывод о связи возникающего локального двулучепреломления с процессами экранирования.
Авторами [58,61,62] были исследованы комплексные доменные структуры в ниобате лития методом визуализации с использованием пироэлектрооптического эффекта. Метод визуализации параллельных доменов посредством пироэлектрооптического эффекта является мощным и точным средством исследования доменной структуры ниобата лития, связанной с проблемами производства высококачественных кристаллов, изучения свойств доменных стенок, процессов экранирования зарядов, возникновения и релаксации внутренних электрических полей. Наряду с оптическими методами для исследования кристаллов используются спектроскопические, дифракционные методы, электронная микроскопия, локальный химический анализ, рентгеноструктурный анализ.
Коноскопические методы позволяют исследовать пластины и кристаллы значительной толщины, для которых наблюдаются более четкие интерференционные фигуры [63,64,65]. Применение расходящегося поляризованного излучения позволяет получить крупномасштабные, яркие и контрастные коноскопические фигуры [9].
При прохождении узкоапертурного, расходящегося луча через различные области кристалла и наблюдении коноскопических фигур
14
можно видеть неоднородность кристалла, характеризующуюся различной величиной аномальной двуосиости [46]. Существующая в кристалле аномальная двуосность может быть получена при приложении электрического поля на уровне сотен вольт на 1 см. При совместном вращении скрещенных поляризаторов распределение интенсивности света, прошедшего через систему поляризатор - кристалл - анализатор, изменяется. Интенсивность света, отличная от нуля, при прохождении параллельного луча наблюдается в тех областях кристалла, где имеется аномальная двуосность й главные оси эллипса сечения оптической индикатрисы не совпадают с направлениями пропускания поляризатора и анализатора. Отсюда следует неоднозначность измеряемых величин ОСП, Кэ и Кк. Наиболее полную информацию об оптической неоднородности можно получить, снимая топограмму аномальной двуосности по всему поперечному сечению кристалла при сканировании его узким, слабо расходящимся пучком света. В работе [66] приведена сравнительно простая методика определения ориентации оптических осей двулучепреломляющих световодов и уровня возбуждения поляризационных мод с использованием интерференции мод.
Таким образом, несмотря на достаточно хорошую освещенность вопроса о влиянии внешних воздействий на оптические свойства кристаллов, многие эффекты не имеют строгой и законченной модели. Ввиду важности проблемы, исследования в данной области оптики представляются актуальными и перспективными.
1.2. ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКАЯ МОДУЛЯЦИЯ СВЕТА В КРИСТАЛЛАХ
Под влиянием внешних воздействий, в том числе, постоянного электрического поля электроны смещаются в сторону того или иного иона, при этом меняется поляризуемость среды и связанный с ней показатель преломления [53,67-76].
Уравнение оптической индикатрисы можно представить выражением:
а0х1х]=1, (1.2.1)
где я/,=1 /е,у= 1 /(п]У — поляризационные константы, 8(— компоненты тензора диэлектрической проницаемости, л,- - главные значения показателя преломления кристалла.
15
При воздействии на кристалл электрического поля оптическая индикатриса деформируется и поворачивается. Изменения показателей преломления принято определять через изменения поляризационных констант:
Аа0=а'0(Е) - а'0{0), (1.2.2)
где я'ДО) и а'0(Е) - поляризационные константы без воздействия и при воздействии на кристалл электрического поля в новой системе координат, которая вводится потому, что в общем случае оптическая индикатриса изменит ориентировку, так что ее новые оси не совпадут со старыми осями.
Изменения Ащ в старой системе координат имеют вид:
Аа0=а0(Е) - 1/(иу)2, /=у= 1, 2, 3, (1.2.3)
Дау=а0{Е), /#, (1.2.4)
где «ь п2, «з- главные показатели преломления кристалла.
Различают, линейный (эффект Поккельса) и квадратичный (эффект Керра) электрооптические эффекты. Эффекг Поккельса связан с изменением электронной поляризуемости под действием электрического поля, поэтому он практически безынерционен - быстродействие устройств на его основе меньше 10'9с. Линейный электрооптический эффект реализуется в кристаллах, не обладающих центром симметрии.
При линейном электрооптическом эффекте изменение поляризационных констант пропорционально первой степени напряженности воздействующего электрического поля:
Аа0=гикЕк, (1.2.5)
где Ек— напряженность электрического поля; г^к— коэффициент линейного электрооптического эффекта. В зависимости от направления элекгрического поля относительно оптической оси кристалла, линейный электрооптический эффект может быть продольным или поперечным.
В жидких и центросимметричных кристаллах* имеет место квадратичный электрооптический эффект (эффект Керра), который также может быть успешно применен для целей модуляции света [75]. При квадратичном электрооптическом эффекте изменение поляризационных констант пропорционально квадрату напряженности воздействующего электрического поля:
Дау=Щк1ЕкЕ1, (1.2.6)
16
где - коэффициент • квадратичного электрооптического эффекта.
Квадратичный электрооптический эффект наблюдается в той или иной степени во всех веществах.
В общем случае существует тесная взаимосвязь между электрическими, тепловыми и механическими свойствами кристаллов, которая приводит к появлению различного рода вторичных эффектов.
Кристаллы, в которых отсутствует центр симметрии, являются пьезоэлектриками. В статических и низкочастотных электрических полях, когда кристалл может свободно деформироваться, наблюдается суммарный электрооптический и пьезооптический эффект [75,76]. Изменение поляризационных констант под воздействием электрического поля, не связанное с обратным пьезоэлектрическим эффектом, называют первичным или истинным электрооптическим эффектом. Он наблюдается в быстро меняющихся электрических полях, когда кристалл механически зажат. Вторичный или ложный электрооптический эффект обусловлен обратным пьезоэлектрическим эффектом и выражается через упругооптический эффект.
В нецентросимметричных кристаллах, обладающих единственной полярной осью наблюдается пироэлектрический эффект [39,53,77]. Пироэлектрический эффект заключается в изменении поляризационных констант при изменении температуры кристалла. При неравномерном нагревании (наличие градиента температуры) в кристалле создается неоднородно напряженное состояние, которое приводит к изменению поляризации кристалла. Это явление получило название третичного пироэлектрического эффекта.
Электрооптический эффект наблюдается при взаимодействии приложенного в кристаллу электрического поля со связанными электронной и решеточной модами. Это приводит к изменению диэлектрической проницаемости вещества. Так, например, электрооптический эффект* в кристаллах 1лЫЮ3 и ЫТаОз на 90% определяется решеточными колебаниями и на 10% электронными колебаниями [75]. Эффективность электрооптического взаимодействия в кристаллах зависит от нелинейной восприимчивости вещества, длины волны света,, частоты модуляции, ориентации светового вектора и волнового вектора модулирующего поля относительно кристаллографических осей кристалла и температуры кристалла [79,80].
17
Электрооптический эффект достаточно точно можно рассматривать в параметрическом приближении, то есть когда рассматривают только воздействие модулирующего низкочастотного поля на световую волну, а воздействием световой волны на низкочастотное поле можно пренебречь [81,82]. На практике электрооптический эффект маскируется так называемым вторичным электрооптическим эффектом, обусловленный деформациями кристалла, возникающими при наложении электрического поля за счет обратного пьезоэффекта [53]. На очень высоких частотах эти деформации незначительны и имеет место только первичный электрооптический эффект. Кроме этого механические деформации могут возникать в результате неравномерного нагрева кристалла из-за диэлектрических потерь. Так как выделение тепла происходит во всем объеме кристалла, а охлаждается кристалл только на поверхности, то возникают температурные градиенты, что приводит к возникновению различных неоднородностей по сечению кристалла [12,14,75,83-85] и уменьшению глубины модуляции.
Для описания электрооптических свойств кристаллов обычно используется феноменологическая теория на основе поляризационного метода [86]. Но при таком рассмотрении электрооптических свойств из внимания выпадает то, что электрооптический эффект это нелинейный оптический процесс, происходящий на квадратичной (эффект Поккельса) и кубичной (эффект Керра) нелинейной восприимчивости кристалла. Многие авторы [60,87-92] упоминают об электрооптическом эффекте как о нелинейно-оптическом процессе, но систематического рассмотрения электрооптических процессов как нелинейно-оптических не проведено.
Особенности электрооптической модуляции широкополосного излучения в анизотропных нелинейно-оптических кристаллах исследованы в работах [6,7,21,93]. В работе [93] рассчитан спектр преобразованного широкополосного оптического излучения в кристалле кальцита, помещенного в электрическое поле, для случая коллинеарных взаимодействий. При этом на кубичной нелинейности кристалла реализуется электрооптический эффект Керра, . линейный по модулирующему полю. Предложено использовать линейный эффект Керра для создания высокоскоростного оптического затвора инфракрасного изображения, работающего с переносом оптического спектра в видимую область. Основным преимуществом в предложенном способе модуляции
18
является отсутствие геометрических искажений. За счет векторных взаимодействий возможно значительно повысить эффективность преобразования излучения и создать затвор с большой угловой апертурой для фотографирования в видимой области спектра быстропротекающих процессов, которые происходят с излучением света ИК диапазона [28,35,42-44].
В настоящее время ведутся активные исследования электрооптического эффекта и процессов преобразования немонохроматического излучения, позволяющие создание более эффективных модуляторов и устройств на основе анизотропных сред для современных оптических систем передачи, хранения и обработки информации. В работе [78] экспериментально показана возможность управления спектральной передаточной функцией интегральнооптического фильтра электрическим полем. Фильтр представлял собой решетку Брегга в фоторефрактивном волноводе, изготовленном из кристалла ниобата лития. В работах [94-96] рассмотрены различные типы модуляторов света для радиочастотного СВЧ диапазона. По соотношению характерных геометрических размеров рабочей области модулятора к длине световой волны и отличиям в системах ввода излучения различают объемные и волноводные хмодуляторы [97]. Первые работают с плоскими волнами и гауссовыми пучками. Вторые являются составными элементами оптических интегральных микросхем и волоконной оптики.
Наиболее широкополосными являются модуляторы; основанные на линейном элеюгрооптическом эффекте. Однако эти модуляторы работают при больших напряжениях (и мощностях) модулирующего сигнала [75].
Для увеличения ширины частотной полосы, в которой может работать модулятор, необходимо уменьшать емкость кристалла или увеличивать потери. Мощность Р, необходимая для создания в кристалле напряжения и, определяется емкостью кристалла С, дополнительной емкостью контура Ср и полосой частот ДП, в которой может работать модулятор [75]:
Р~^(С+Ср)ДП (1.2.7)’
Управляющие мощности электрооптических модуляторов с поперечным элекгрооптическим эффектом могут быть сильно снижены при использовании геометрического фактора Ш (/ - длина -кристалла вдоль направления излучения, ^-ширина кристалла в направлении приложенного электрического поля). Кроме того, значительная величина емкости
19
кристалла, в котором реализуется поперечный эффект Поккельса, позволяет на низких частотах обходиться без дополнительной емкости контура, что увеличивает широкополосность модулятора. На очень высоких частотах имеют преимущества модуляторы с продольным электрооптическим эффектом, так как они обладают меньшей емкостью при том же потреблении модулирующей мощности.
В работе [98] разработан электрооптический модулятор на кубическом кристалле магнониобата свинца РЬМ^/зЫЬг/зОз, позволяющий модулировать немонохроматическое излучение с большой угловой расходимостью (до 20°). Спектральный состав модулируемого излучения 0,4-1 мкм. Недостатки данных модуляторов связаны с большой диэлектрической проницаемостью кристаллов магнониобата свинца (е=7000), что ограничивает их применение в СВЧ устройствах, и наличием большой низкочастотной дисперсии электрооптических коэффициентов. Проявление сильной электрострикционной активности в этих кристаллах ограничивает их применение в электрооптических затворах. Большие перспективы использования жидкокристаллических дисплеев обуславливают интерес к электрооптическому управлению пропусканием света через ЖК ячейки, в том числе, сегнетоэлектрические [99,100].
Электрооптические эффекты (линейный и квадратичный) лежат в основе принципа действия многих приборов лазерной техники: оптических модуляторов, затворов и других устройств, управляющих лазерным излучением. Тем не менее, наблюдаются пробелы в исследованиях электрооптических устройств, способных работать в широком спектральном диапазоне, с большой расходимостью светового пучка, предназначенных для работы, например, в устройствах защиты приемных трактов оптических систем от обратного рассеяния, в фотографических затворах и в ряде других устройств.
1.3. НЕЛИНЕЙНООПТИЧЕСКОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ В ОДНООСНЫХ КРИСТАЛЛАХ
Успешное развитие лазерной техники позволило реализовать многочисленные «нелинейные» эксперименты в оптике. .
20