ОГЛАВЛЕНИЕ
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОБОЗНАЧЕНИЯ 5
ВВЕДЕНИЕ 10
ЦЕЛИ И ЗАДАМИ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ 11
НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ 11
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ 12
ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ 13
АПРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ 13
ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА 13
ГЛАВА 1 ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ НЕЛИНЕЙНО-ОГ1ИЧЕСКИХ КРИСТАЛЛОВ С ЛАЗЕРНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ 14
1.1 ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ НЕЛИНЕЙНОЙ ОПТИКИ 14
1.2 НЕЛИНЕЙНО-ОПТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ. ГЕНЕРАЦИЯ ВТОРОЙ ГАРМОНИКИ 15
1.2.1 Поляризованность диэлектрика.
Нелинейные электрические восприимчивости 15
1.2.2 Волновое уравнение для среды с нелинейной поляризоваиностыо 18
1.2.3 Уравнения для генерации второй гармоники в приближении плоских волн 18
1.2.4 Фазовый синхронизм 20
1.3 НЕЛИНЕЙНО-ОПТИЧЕСКИЕ КРИСТАЛЛЫ 23
1.3.1 Кристаллический кварц (S102) 24
1.3.2 Кристалл дигидрофосфат калия КН2Р04 26
1.3.3 Кристалл титанилфосфат калия КТЮР04 (КТР) 28
1.4 ОПТИЧЕСКОЕ РАЗРУШЕНИЕ КРИСТАЛЛОВ (OPTICAL DAMAGE) 31
1.4.1 Методы исследования оптического разрушения 32
1.4.2 Образование grey track в кристаллах 34
1.5 ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ И КОНТРОЛЯ ТЕМПЕРАТУРЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТОВ ОПТИЧЕСКОГО ПОГЛОЩЕНИЯ КРИСТАЛЛОВ ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ С ЛАЗЕРНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ 36
1.5.1 Метод фотоакустики 37
1.5.2 Метод лазерной калориметрии 39
1.6 РЕЗОНАНСНАЯ УЛЬТРАЗВУКОВАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ ДИЭЛЕКТРИКОВ 41
1.6.1 Метода акусго-резонансной спектроскопии 41
1.6.2 Подход к теоретическому описанию резонансной ультразвуковой спектроскопии 42
1.6.3 Идентификация собственных акустических мод 43
1.7 ИМПЕДАНС!IАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ ДИЭЛЕКТРИКОВ 44
1.7.1 Электрический импеданс 44
1.7.2 Применения метода импедансной спектроскопии 46
1.7.3 Анализ экспериментальных данных 47
1.8 ИОННАЯ ПРОВОДИМОСТЬ ДИЭЛЕКТРИКОВ 48
1.9 ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ 52
1.10 ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РЕЗОНАНС. ФОРМА ЛИНИИ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РЕЗОНАНСА 55
ГЛАВА 2 ИМПЕДАНСНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ 58
2.1 МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ 58
2.2 ПОСТАНОВКА ЭКСПЕРИМЕНТА 59
2.2.1 Экспериментальная установка 59
2.2.2 Автоматизация эксперимента 62
2.2.3 Стабилизация и контроль температуры кристалла 63
2.3 ПАРАМЕТРЫ ИССЛЕДУЕМЫХ КРИСТАЛЛОВ КВАРЦ, КТІ0Р04, КН2Р04 65
2.4 ПРИМЕРЫ ИЗМЕРЕННЫХ РЧ СПЕКТРОВ КРИСТАЛЛОВ 65
2.5 ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 2
ГЛАВА 3 ОДНОРОДНЫЙ РАЗОГРЕВ НЕЛИНЕЙНО-ОПТИЧЕСКИХ КРИСТАЛЛОВ В ОТСУТСТВИЕ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 69
3.1 ПОВЕДЕНИЕ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РЕЗОНАНСОВ КРИСТАЛЛОВ ПРИ ОДНОРОДНОМ РАЗОГРЕВЕ 69
3.2 ИДЕНТИФИКАЦИЯ СОБСТВЕННЫХ МОД КРИСТАЛЛОВ ПО ТЕМПЕРАТУРНОМУ СДВИГУ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РЕЗОНАНСОВ 73
3.3 ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 3
ГЛАВА 4 НЕОДНОРОДНЫЙ РАЗОГРЕВ НЕЛИНЕЙНО-ОПТИЧЕСКИХ КРИСТАЛЛОВ ЛАЗЕРНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ 77
4.1 ПОВЕДЕНИЕ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РЕЗОНАНСОВ ПРИ
НЕОДНОРОДНОМ РАЗОГРЕВЕ КРИСТАЛЛОВ ЛАЗЕРНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ 77
4.1.1 Основные характеристики и параметры используемых лазерных источников 77
3
4.1.2 Оптическая часть экспериментальной установки. Поведение
пьезоэлектрических резонансов при неоднородном разогреве 78
4.2 СРАВНЕНИЕ ПОВЕДЕНИЯ ФОРМЫ ЛИНИИ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РЕЗОНАНСОВ ПРИ ОДНОРОДНОМ РАЗОГРЕВЕ В ОТСУТСВИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ И НЕОДНОРОДНОМ РАЗОГРЕВЕ КРИСТАЛЛА ЛАЗЕРНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ 80
4.3 ЭКВИВАЛЕНТНАЯ ТЕМПЕРАТУРА КРИСТАЛЛА,
ВЗАИМОДЕЙСТВУЮЩЕГО С ЛАЗЕРНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ 85
4.4 УПРОЩЕННАЯ МОДЕЛЬ РАЗОГРЕВА КРИСТАЛЛА ЛАЗЕРНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ 86
4.5 КИНЕТИКА ИЗМЕНЕНИЯ ЧАСТОТ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РЕЗОНАНСОВ ПРИ НЕОДНОРОДНОМ РАЗОГРЕВЕ КРИСТАЛЛА ЛАЗЕРНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ 90
4.6 НЕЛИНЕЙНЫЙ РАЗОГРЕВ КРИСТАЛЛОВ ЛАЗЕРНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ 101
4.7 ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 4 102
ГЛАВА 5 ИМПЕДАНСНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ ИОННОЙ ПРОВОДИМОСТИ НЕЛИНЕЙНО-ОПТИЧЕСКОГО КРИСТАЛЛА КТЮР04 ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 104
5.1 ВЛИЯНИЕ ИОННОЙ ПРОВОДИМОСТИ НА ПЬЗОЭЛЕТКРИЧЕСКИЕ РЕЗОНАНСЫ КРИСТАЛЛА, ВЗАИМОДЕЙСТВУЮЩЕГО С ЛАЗЕРНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ 104
5.2 ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 5 107
ГЛАВА 6 РАННЯЯ ДИАГНОСТИКА ДЕГРАДАЦИИ И РАЗРУШЕНИЯ НЕЛИНЕЙНО-ОПТИЧЕСКИХ КРИСТАЛЛОВ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 108
6.1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОРОГА ОПТИЧЕСКОГО РАЗРУШЕНИЯ КРИСТАЛЛА КН2Р04 108
6.2 ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 6 113
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ 114
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 115
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 119
4
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОБОЗНАЧЕНИЯ
Вектор электрического поля Е [В/м]
Вектор электрической поляризации,
Р,РЬ,Р№ [Кл/м2]
линейной,нелинейной
Вектор электрической индукции О [Кл/м2]
Диэлектрическая проницаемость £, ец
Единичный вектор поляризации ноля е
Линейная восприимчивость
Квадратичная восприимчивость [м/В]
Кубическая восприимчивость [м2/В2]
Оптическая частота ел, [рад/с]
Волновой вектор к,К [м_|]
Действительная часть показателя
п?пи,п,
преломления
Постоянная Планка Ь-1.055-10'34 [Джс]
Скорость света в вакууме с [м/с]
Диэлектрическая постоянная гг0 = 8.85 • 10"12 [Ф/м]
Магнитная постоянная //0 = 1.2566*10"* [Н/А2]
Индексы целых чисел, мультииндексы р,ц,т,п
Декартовы координаты *,у,г
Время г [с]
Радиус-вектор г
Амплитуда А
Мнимая единица 1
Коэффициент оптического поглощения а [м“‘]
Численный коэффициент С,
Обозначение изменения величины Д
Диаметр, размер б, Ь,/4,гсУ На, М
Интенсивность излучения Ы*»1|МЭ^МВ8 1Бт/м2]
Длина когерентного взаимодействия между [м]
волной накачки и волной второй гармоники Число п
Угол на плоскости
Температура
Длина волны излучения
Параметры кристаллической решётки Тензор упругости Тензор деформации Пьезоэлектрический тензор Ионная проводимость кристалла Коэффициент преобразования энергии оптического излучения в энергию акустической волны Плотность кристалла Удельная теплоёмкость кристалла Коэффициент теплопроводности кристалла Вектор смещения точек среды Тензор механических напряжений Модуль всестороннего сжатия Модуль сдвига
Коэффициент линейного теплового
расширения кристалла
Скорость распространения продольной
акустической волны
Скорость распространения поперечной
акустической волны
Добротность пьезэлсктрического резонанса Мощность лазерного излучения Частота РЧ поля Объём
л = 3.14159 О [рад]
7\© 1К]
Я [нм]
я,А,сс [д]
[П/м2]
*■/
[Кл/м2] а [Ом_1м_1]
П
р [кг/м3]
С1р [Дж/СкгК)] к [Дж/(Кмс)] и
[Н/М2]
К [Н/м2]
<Г [Н/м2]
Р [м/К]
с, [м/с]
с,г [м/с]
0.
Р [Вт]
«V [рад/'с], / [Гц] V [м3]
6
Площадь
Энергия
Символ Кронсксра
Частота пьсзолектрического резонанса Весовой коэффициент Натуральные числа Электрическое напряжение Электрический ток Электрический импеданс Электрический адмитанс Электрический модуль Фаза электрического напряжения, тока Концентрация ионов, электронов Заряд электрона Электрический заряд Подвижность ионов, электронов Энергия активации ионов в кристалле Постоянная Больцмана Параметры, используемые при аппроксимации частотных зависимостей ионной проводимости и пьезоэлектрических резонансов в кристаллах
Сила
Скорость разогрева нелинейно-оптического кристалла
Коэффициент электромеханической связи
Индуктивность
Ёмкость
5 [м2]
И' №0
*,
V ГГц]
.9
У, У, и [В]
I | А] г [Ом]
У [Ом"1]
м
<р [град]
П[,П{ [м-5] в* 1.6022-10"19 [Кл]
Ч [М
//,// [м'У(ОмКл)]
Еа [эВ]
*,»1.38-10““ [Дж/К]
Р [Н]
V [К/с]
К
4 [Гн]
С [Ф]
Электрическое сопротивление Пьезорезонансный термический коэффициент нелинейно-оптического кристалла
Параметр качества лазерного излучения Пьезорезонансный оптический коэффициент нелинейно-оптического кристалла
Параметр, характеризующий ширину линии пьезоэлектрического резонанса кристалла Параметр, характеризующий амплитуду пьезоэлектрического резонанса кристалла Эквивалентная температура кристалла, взаимодействующего с лазерным излучением Масса кристалла
Температура воздуха, окружающего кристалл
Объёмная температура кристалла Температура воздуха вблизи поверхности кристалла
Параметры, характеризующие пьезоэлектрический резонанс кристалла Коэффициент поверхностной леплопередачи кристалла Тепловой поток
Коэффициент рассеяния лазерного излучения
Л [Ом]
Крп [Гц/К]
Л/2
К1™ [Гц/Вт]
Дн», [Гц]
А„ [Ом Гц]
е* ГО
тр [кг]
Т„ [К]
Тс [К]
Т« [К]
Дия [В], АРИп [фад]
Ит [Вт/(м2К)]
J [Вт/м2] сс8 [м-!]
8
Сокращения
Генерация Второй Гармоники ГВГ
Генерация Третьей Гармоники ГТГ
Генерация Сумарной Частоты ГСЧ
Генерация Разностной Частоты ГРЧ
Когерентная Антистоксовая Рамановская
КАРС
Спектроскопия
Радиочастотный РЧ
Инфракрасный ИК
Элскторонный Парамагнитный Резонанс ЭГ1Р Кристалл триглицинсульфата ТС Б
Кристалл дигидрфосфат калия КН2РО4, КЭР
Кристалл дигидрфосфат амония АОР
Кристалл титанилфосфат калия КТЮРО4, КТР
Кристалл ниобата лития LiNbOз
Кристалл трибората лития ЫВэОз, ЬВО
Кристалл метабората бария В-ВаВ2Оз, ВВО
Комплексное сопряжение *
Обозначение мнимой части 1т
Обозначение действительной части Яе
9
ВВЕДЕНИЕ
При распространении лазерного излучения в прозрачном диэлектрике происходит его разогрев, обусловленный слабым оптическим поглощением и неупругим рассеянием света. Современные кристаллы, используемые в нелинейной оптике для преобразования лазерного излучения, имеют чрезвычайно малые коэффициенты поглощения света. Тем не менее, даже чрезвычайно чистые и совершенные кристаллы разогреваются лазерным излучением. Один из самых важных механизмов влияния мощного лазерного излучения на нелинейно-оптическое преобразование - это неоднородный разогрев кристалла. При увеличении мощности излучения накачки в кристалле может возникнуть дополнительное нелинейное поглощение света накачки и преобразованного излучения как уже на существующих примесях и дефектах, так и на новых неоднородностях кристалла, индуцированных излучением. Более того, под действием мощного лазерного излучения может произойти необратимое разрушение нелинейно-оптического кристалла. Диагностика взаимодействия мощного лазерного излучения с нелинейно-оптическими кристаллами и определение пороговых значений плотности мощности лазерного излучения, приводящих к их разрушению, является важной как научной, так и практической задачей.
Общий метод импедансной спектроскопии широко применяется для исследования изменений объёмных и поверхностных электрических свойств диэлектриков. Эти изменения могут вызываться воздействием внешнего электромагнитного излучения на диэлектрик в широком спектральном диапазоне (от дальнего ИК до у квантов, включая видимый и УФ свет, мягкое и жесткое рентгеновское излучение). В основе метода импедансной спектроскопии лежит измерение комплексного импеданса диэлектрика от частоты зондирующего переменного электрического ноля в широком спектральном диапазоне от 10-4 до 109 Гц. Характерные спектральные особенности электрического импеданса позволяют определять физические механизмы взаимодействия излучения с исследуемыми диэлектрическими кристаллами и стеклами. Каждый образец нелинейно-оптического кристалла обладает характерным набором собственных акустических мод. Частоты собственных мод зависят от упругих свойств материала, геометрической формы и размеров образца. Собственные акустические моды чрезвычайно чувствительны к изменению внутренней температуры кристалла, которая меняет не только упругие константы, но и характерные размеры кристалла. Как следствие, воздействие лазерного излучения на кристалл также сопровождается изменением резонансных частот собственных мод. Кристаллы, используемые в нелинейной оптике для генерации
10
гармоник и преобразования лазерного излучения, принадлежащие к кристаллографическим группам с отсутствием центра инверсии, обладают пьезоэлектрическими свойствами. Явление обратного пьезоэлектрического эффекта даёт уникальную возможность возбуждать и регистрировать радиочастотным (РЧ) полем механические колебания кристалла в условиях воздействия лазерного излучения. Пьезоэлектрический резонанс возбуждается при совпадении частоты внешнего электрического ноля с частотой какой-либо собственной колебательной моды образца и проявляется в резком немонотонном изменении амплитуды и фазы электрического импеданса образца в очень узком спектральном диапазоне.
Трудно измеряемые изменения общего электрического импеданса кристалла за счёт взаимодействия с лазерным излучением даже большой мощности возрастают на несколько порядков в условиях резонанса. Пьезоэлектрические резонансы нелинейно-оптических кристаллов, обладающих высокой прозрачностью к оптическому излучению, позволяют исследовать чрезвычайно слабое воздействие лазерного излучения на кристаллы. Более того, возбуждаемые пьезоэлектрические резонансы не нарушают условия преобразования лазерного излучения. Высокая чувствительность пьезоэлектрических резонансов кристаллов к слабому лазерному излучению позволяет исследовать разнообразные проявления в нелинейно-оптических преобразованиях мощного излучения накачки.
ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ
Целью данной работы является разработка метода импедансной спектроскопии, позволяющего контролировать и исследовать изменения оптических и электрических свойств кристаллов при воздействии мощного лазерного излучения.
Разработка метода импедансной спектроскопии включает в себя:
а) - разработку автоматизированного экспериментального стенда для измерения комплексного электрического импеданса кристалла в широком радиочастотном диапазоне в зависимости от мощности лазерного излучения,
б) - разработку экспериментальных методик и программного обеспечения измерении пьезоэлектрических резонансных параметров импеданса, наиболее чувствительных к воздействию лазерного излучения в стационарных условиях и в переходных процессах,
II
- Київ+380960830922