СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ................................................-..................4
Глава 1. ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КРИСТАЛЛОВ.............................9
1.1. Линейный элсктрооитичсскнй эффект.............................9
1.2. Электронная природа преломляющих свойств крисгал.юв ........16
1.3. Сопутствующие эффекты .......................................24
1.4. Методы экспериментального исследования
элек гроот ических эффектов....................................28
1.5. Квадратичный электроонгическин эффект........................30
1.6. Влияние структуры кристаллов на электрооптическне
и нелинейно-оптические свойства................................32
Глава 2. ЭЛЕК ГРООПТИЧЕСКИЙ ОФФНКТ НА КВАДРАТИЧНОЙ
НЕЛИНЕЙНОС ГИ.....................................................35
2.1. Электроопгический эффект - частный случай преобразования излучения по частоте .............................................35
2.2. Влияние компонент тензора электроонтического эффекта
на характер преобразования излучения ..........................40
2.3. Угловая зависимост ь эффективности электроонгнчсской
модуляции .....................................................43
2.4. Оценка значений компонент элсктрооптичсского тензора на основании НСЛИНСЙНО-ОІПИЧССкой восприимчивости кристаллов 48
2.5. Олектрооптнческос преобразование излучения
в двухосных кристаллах ........................................52
2.6. Частотная ширина электрооптического синхронизма .............58
2.6. Элскфоотгтичсская модуляция рассеянного излучения............60
Глава 3. КВАДРАТИЧНЫЙ ЭЛЕКТРООП ГИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ
НА КУБИЧНОЙ НЕЛИНЕЙНОСТИ..........................................64
3.1. Компоненты тензора квадратичного элсктроотичсскин эффекта ...64
3.2. Частотный спектр излучения, преобразованною
в ячейке Керра ................................................77
3.3. Электроопгический эффект Керра,
линейная по модулирующему нолю.................................78
3.4. Спектр излучения, преобразованного в «линейной ячейке Керра».80
Глава 4. ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРООПТИЧГ.СКИХ МОДУЛЯТОРОВ....................83
4.1. Спектральные характеристики фазовых модуляторов..............83
4.2. Спектральные характеристики амплитудных модуляторов..........85
4.3. Угловые характеристики фазовых модуляторов...................88
4.4. Угловые характеристики амплитудных модуляюров ...............88
Глава 5. ОКСІІЕРИМЕНТАЛЬНЬІЕ ИССЛЕДОВА11ИЯ ЭЛЕКТРОО! 1ТИЧЕСКИХ
СВОЙСТВ КРИСТАЛЛОВ ИИОБАТА ЛИТИЯ..................................91
5.1. Вольт-амперные характеристики кристалла І.іІЧЬОз.............92
5.2. Коноскопнчсскис фшуры кристалла в электрическом поле.........93
5.3. Наведенная оптическая активность в кристалле ПМЬОз...........95
5.4. Спектры пропускания кристаллов ниобата лития.................96
ЗАКЛЮЧЕНИЕ..............................................................100
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.................................................101
2
ВВЕДЕНИЕ
Нелинейные оптические свойства связаны с нелинейной зависимостью поляризации вещества от напряженности электрического, магнитного и акустического полей. К числу первых параметрических нелинейных оптических явлений относятся электролитические эффекты, возникающие пол действием электрического поля. Эти явления были открыты еше в конце XIX века, но их интенсивное изучение началось после создания оптических квантовых генераторов.
Для элекгро- и упругооптических исследований наиболее широко используются сегнето- и антиссгнстоэлсктрнческне кристаллы, в которых можно получить высокие значения поляризации (1,2].
Исследования электрооптических эффектов в кристаллах ведутся в нескольких направлениях н широко освещаются в научной печати. Одним из перспективных направлений является поиск новых материалов, обладающих большими электрооптнчсскнми коэффициентами (3). Такого рода сегнетоэлек-трическис кристаллы важны для использования в электрооптических преобразователях, модуляторах и сканирующих устройствах [4]. Одновременно проводятся болсс детальные исследования электрооптических эффектов в кристаллах в комплексе с сопутствующими эффектами для выяснения микроскопической природы элсктрооит ического эффекта.
Для решения практических задач по модуляции и управлению пространственно-временными параметрами оптического излучения необходимы детальные исследования особенностей и физической сущности соответствующих процессов. Для исследования данных закономерностей чаще всего используется поляризационный метод.
На основе этого метода получены значительные результаты; объяснены механизмы фазовой и амплитудной модуляции, рассмотрены вопросы распространения излучения в кристаллах разных классов симметрии. Мри таком рассмотрении процессов чаще всего из внимания исследователей выпадает то. что электрооитическая модуляция это нелинейный оптический процесс, происхо-
3
дящий на квадратичной (эффект Поккельса) или кубичной нелинейностях (аффект Керра).
Упоминание о нелинейно-оптическом процессе элекгрооптической модуляции имеется практически в любой монографии по электрооптике [2-5\ и многих статьях, но систематического рассмотрения электрооптических процессов как нелинейнооптических не проведено. Такое рассмотрение электрооптических процессов является актуальным, так как позволит выявить их своеобразие и ряд особенностей и новые закономерности, которые могут быть заложены в основу оптических приборов с улучшенными характеристиками или даже с несуществующими ранее.
Целыо исследований являегся изучение закономерностей и особенностей элекгрооптической модуляции в кристаллах на квадратичной и кубичной нелинейностях.
Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены следующие задачи:
1. Исследованы особенности распространения и модуляции волн на квадратичной и кубичной нелинейностях в электрооптических кристаллах разных групп симметрии.
2. Рассмотрен характер зависимости интенсивности выходящего из модулятора излучения от типа взаимодействия (о-»с, е-»о, о—»о е-»е ) и способа модуляции.
3. Изучен спектральный состав преобразованного излучения в случае модуляции высокочастотным и низкочастотным полем.
4. Исследованы характерные особенности проявления электро-оптическнх эффектов в двухосных кристаллах (на примере кристаллов классов тт2 и 222).
5. Исследованы возможности создания новых электрооптических устройств для фазовой, амплитудной и частотной модуляции основного излучения.
Для достижения поставленной цели и задач использованы теоретические и экспериментальные методы исследования.
Научная новизна и оригинальность работы заключается в следующем:
4
1. Вскрыты особенности электроопти чес к и х преобразований типа о-»с, е->о, о—>о. с—>е и оптических кристаллах.
2. Определены характеристики систем модуляции излучения за счет интерференции фазоїсмодулированного излучения с опорным пучком.
3. Рассчитана угловая ширина электрооптичсского синхронизма в двухосных кристаллах.
4. Предложен новый метод достаточно точного определения положения кристаллофизических осей на основе электрооптического эффекта.
5. Впервые предложен новый метод компенсации ухода направления электрооптичсского синхронизма за счет использования широкополосного расходящегося излучения.
6. Предложен и рассчитан новый метод линейной электрооптической модуляции за счет квадратичного электрооптичсского эффекта Керра. Показано, что в случае использования двух пучков излучения с частотами со і и 0)2, спектр промодулированного излучения, выходящего из модулятора, состоит из компонент 0)3 = е>| + 0)2 ± П.
При использовании широкополостного излучения преобразуются все частотные компоненты падающего излучения, а спектр выходящего излучения имеет резко аосиметричный вид относительно частоті»і 2о>, где о> - частота синхронизма.
7. Показана целесообразность использования двухосных кристаллов для Электрооптической модуляции с пучками излучения, направленными вдоль оптических осей двухосных кристаллов.
Все полученные в диссертационной работе результаты и используемые методы служат основой для создания новых электрооптнчсских модулирующих устройств.
ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
1. Угловая ширина электрооптического синхронизма для двухосных кристаллов на 1.5-2 порядка меньше, чем для одноосных. Возможна эдекгроопги-ческая модуляция е поворотом плоскости поляризации вдоль оптической оси двуосных кристаллов.
5
2. Возможна компенсация ухода направлений фазового синхронизма мри электрооптической модуляции широкополостного излучения в двуосных кристаллах за счет заданной расходимости излучения, соответствующей дисперсии оптических осей кристалла.
3. Одновременная регистрация излучения, промодулированного за счёт электрооптнческого эффекта на квадратичной (г*;1) и кубичной (Яук) нелинейностях, является перспективным методом достаточно точного определения положения кристаллофизических осей.
4. Использование для модуляции в электрооптическом эффекте Керра двух модулирующих частот П1 и приводит к появлению в выходящем из модулятора изучении двух боковых частот, расположенных несимметрично относительно несущей ((0-О|+Пл, (0+О|-О>).
5. Возможна линейная модуляция излучения на частоте сог= о)| + 0)2 за счет квадратичною электрооптнческого эффекта Керра при использовании двух оптических лучей с частотами о)| и со^.
6. Спектр преобразованною широкополостного излучения при линейной модуляции за счет квадратичного электрооптнческого эффекта Керра ассиметричен относительно частоты электрооптнческого синхронизма.
Текст диссертации изложен па 110 страницах, состоит из введения, пяти глав основного текста, заключения и списка литературы, содержащего 100 наименований
В первой главе приведен обзор теоретических и экспериментальных работ по особенностям линейного и квадратичного элсктрооитическнх эффектов в кристаллах разных классов симметрии. Рассмотрены различные модели и способы наблюдения элекгрооптических эффектов. Приведен анализ литературных данных о взаимосвязи физических свойств кристаллов и химического строения.
Во второй главе рассмотрены особенности электрооптической модуляции излучения как нелинейно-оптического процесса на квадратичной нелинейности.
Третья глава посвящена рассмотрению электрооптнческого эффекта на кубичной нелинейности (эффекта Керра) за счёт компонент Я,до квадратичного
6
элекгрооптичсского эффекта. Предложен метод точного определения положения кристаллофизических осей для двухосных кристаллов на основе эффекта Керра.Изучен частотный спектр преобразованного излучения.
В главе 4 рассмотрены угловые и спектральные характеристики электрооп-тических модуляторов. Показано, что в зависимости от типа модуляции зависимость эффективности преобразователя от спектрального состава падающего луча и расходимости будет различной.
В главе 5 описана экспериментальная установка и результаты наблюдения коноскопических фигур в крисгаллс LiNbOj, описаны электрические свойства LiNbOj и оптические свойства кристаллов, обогащённых легирующими добавками. .Диссертационная работа автора связана с научно-исследовательской госбюджетной темой МПС РФ «Анизотропное отражение света в оптических кристаллах». выполняемой на кафедре физики ДВГУГ1С.
Основные результаты работы докладывались на следующих конференциях.
1) На международном симпозиуме (Первые Самсоновскне чтения) «Принципы и процессы создания неорганических материалов» Хабаровск, 1998 г.
2) На краевой научной конференции «Физика: фундаментальные исследования, образование». - Хабаровск: ХГГУ, 1998.
3) На первой международной научной конференции творческой молодежи «Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в 21 веке». -Хабаровск: ДВГУПС, 1999.
4) First Asia-Pacific Conference “Fundamental problems of opto-and microelectronics”, Vladivostok, 2000 r.
По результатам работы лично автором и в соавторстве опубликовано 9 работ.
7
Глава І. ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КРИСТАЛЛОВ
1.1. Линейный электрооптический эффект
Электрооптический эффект (эф. Поккельса) является эффектом второго порядка: он возникает за счет зависимости диэлектрической проницаемости £ от электрическою ноля [6].
Преломляющие свойства анизотропных сред обычно описывают с помощью оптических поляризационных констант [1-6], совокупность которых образует симметричный тензор 2-го ранга. Компоненты ац являются величинами, обратными квадратам показателя преломления и в общем случае зависят от длины волны (Л), температуры (Т), внешнего электрического поля (Е[) и механической деформации (Ху) [6, 7]
Е» *у) (11)
Фиксируя Л и разлагая Г (Т. £„ А',,) в ряд Тэйлора получаем в первом приближении, офаничиваясь лишь первыми производными по Г и х
. о а. 4 1 ОТ
£,л
АТ +
гдаЛТ'
—Ч Ек +
[дЕк
' д2 а,
г,.*
Обозначим
/а N
сак
дТ
г л
~ к„:
Ы -г •
в £, а е,
д2 а.
дЕк дБ,
\ * ' у
ЕкЕ, +
Г.г
— >
да*'
дхы>
[дхи
тя
хкі +
(1.2)
тя
•Рш. (1.3)
Подставив в (1.2), имеем
ац = к** АТ + г?Ек + + Р^хк( +....
(1.4)
В уравнении (1.4) первый член описывает термооптические изменения поляризационных констант, второй и третий - линейный и квадратичный элек-трооптические эффекты, четвертый - упругооптический эффект. Соответствующие коэффициенты при этих членах являются тензорами 2-го, 3-го и 4-го рангов.
8
Если выбрать в качестве независимых переменных поляризацию Р\ и деформацию Л\/. то можно показать, что изменения полфизационных констант будет [6]
Да,, = к ?АТ + п£р1 + */£/>,/*,+7&г*и +.... (1.5)
Обозначения коэффициентов в (1.5) при сравнении с (1.2) очевидны. С другой стороны Анистратов |6|, Сонин [1\ приводят описание электрооптического эффекта в терминах термодинамического потенциала.
Гермодинамическим потенциалом относительно температуры, напряженности электрического поля и механических напряжений является функция [6]
Ф = И-Т8-ЕЛ-сг^ = И-ХаХа> (1.6)
где И - внутренняя энергия;
Т- температура (абсолютная);
5 - энтропия (единицы объема);
£, - напряженность электрического поля;
Д = - электрическая индукция;
- тензор механических напряжении;
- деформация.
Полный дифференциал функции Ф (или свободная энергия Гиббса) равен
аФ •= - Д,аЕ, - еха<гх = -ХлаХл, (1.7)
где величины х>\ и Ха можно рассматривать как компоненты йскто[Х)в в 10-мерном пространстве. Если свободная энергия кристалла рассматривается как функция обобщенных сил (температуры, напряженности, механических напряжений), то любая обобщенная координата равна
О-»)
дхА
Разложив это выражение в ряд Тейлора в окрестности произвольной точки /в - К' ~ произвольного начатьного состояния кристалла, характеризуемого
9
- Київ+380960830922