ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ......................................................4
ГЛАВА 1. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ШИРОКОПОЛОСНОГО СПЕКТРА В НЕЛИНЕЙНООПТИЧЕСКИХ КРИСТАЛЛАХ И ВЛИЯНИЕ ВНЕШНИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КРИСТАЛЛОВ И КОМПОЗИТОВ.............................................40
1.1.Преобразование широкополосного ИК излучения в видимую область спектра......................................................40
1.2.Влияние внешнего электрического поля и тепловых воздействий на оптические свойства кристаллов........ ,....................14
1.3.Изучение физических свойств композиционных материалов....21
ГЛАВА 2. ГЕНЕРАЦИЯ СУММАРНЫХ ЧАСТОТ В НЕЛИНЕЙНЫХ ОПТИЧЕСКИХ КРИСТАЛЛАХ ОТ ШИРОКОПОЛОСНЫХ НЕЛАЗЕРНЫХ ИСТОЧНИКОВ ИЗЛУЧЕНИЯ..................................26
2.1. Преобразование широкополосного излучения в кристалле ЫЫЬОз из
ИК области спектра в видимую.................................26
2.2.Экспериментальные исследования преобразования широкополосного излучения по частоте в нелинейных оптических кристаллах......33
2.2.1.Схема экспериментальной установки и методика эксперимента 33
2.2.2. Экспериментальные исследования спектров излучения, преобразованного в кристалле иодата лития.............................35
2.2.3. Преобразование широкополосного ИК излучения в кристалле КТР.38
2.3. Электрооптическая модуляция излучения на частоте второй гармоники
в кристаллах ниобата лития...................................40
Выводы.......................................................43
ГЛАВА 3. ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И ТЕПЛОВЫХ ПОЛЕЙ НА ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КРИСТАЛЛОВ...............................44
3.1.Особенности изменения индикатрисы показателя преломления кристаллов во внешнем электрическом поле..........................44
3.2.1. Изменение угла между индуцированными оптическими осями нио-бата лития во внешнем электрическом поле.......................52
3.2.2. Экспериментальное измерение угла между оптическими осями кристалла ниобата лития, помещенного во внешнее электрическое поле 56
3.3. Электрорефракция в кристаллах ниобата лития...............59
3.4. Электрогирация в кристаллах ниобата лития.................63
3.5. Наблюдение изображения объектов на фоне коноскопических фигур..66
3.6. Особенности вольт-амперных характеристик кристалла ниобата лития в области высоких напряжений...................................69
3.7. Формирование «решетки котюскопических картин» в кристалле ниобата лития.......................................................72
Выводы.........................................................76
ГЛАВА 4. ОПТИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ПОЛИТЕТРАФТОРЭТИЛЕН-ГРАФИТ.........................................................77
4.1. Приготовление экспериментальных образцов композита политетрафторэтилен-графит (ПТФЭ-Г)......................................77
4.2. Исследование электрических свойств композитов ПТФЭ-Г......78
4.3. Оптические свойства композитов на основе ПТФЭ.............90
Выводы.........................................................93
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.....................................................94
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
96
4
ВВЕДЕНИЕ
Нелинейно-оптические кристаллы широко используются в качестве преобразующих и управляющих элементов во многих оптоэлектронных приборах [1]. При распространении света, излучаемого лазером или мощным нелазерным источником, напряженность поля световой волны становится соизмеримой с внутренними полями в кристаллах. Это приводит к нелинейному взаимодействию поля световой волны со средой, при котором нарушается принцип суперпозиции и создаются условия для генерации гармоник, суммарных и разностных частот.
Генерация суммарных частот используется в “ап-конверторах,\ то есть преобразователях частоты вверх, с их помощью оптические сигналы ПК диапазона трансформируются в видимую область, что применяется для визуализации тепловых объектов [2]. В особенности, в последнее время вызывают интерес процессы преобразования но 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]. Особенно много работ выполнено с кристаллом ЬПОз. Данные исследования позволяют надеяться на создание нового технического направления, связанного с разработкой нелинейных оптических приборов, работающих с нелазерным излучением.
В ряде случаев при использовании излучения с широким спектром получены неожиданные научные результаты. Однако в целом данное направление, например, для кристаллов КТР и ПМЬ03, не исследовано, а поэтому требует дальнейших исследований.
Процессы преобразования излучения в оптическом кристалле подвержены влиянию внешних воздействий. При приложении внешнего электрического поля, локальном или общем изменении температуры
5
кристалла, прежде всего, изменяются показатели преломления обыкновенного и необыкновенного лучей, что сказывается на синхронных взаимодействиях световых волн, а, следовательно, и на спектре преобразованного излучения.
С другой стороны, в последнее время очень большое внимание уделяется созданию новых необычных сред для нелинейной оптики, например, композиционных материалов полимер-проводник. Их свойствами можно управлять в широких пределах, изменяя процентное соотношение наполнителя и матрицы, размеры частиц наполнителя и так далее. Такие материалы используются в качестве оптических фильтров, светочувствительных сенсоров и интересны в плане фундаментальных исследований [4]. Применение композиционных материалов в физических исследованиях, равно как и синтез этих материалов в промышленных масштабах, представляют интерес также и вследствие широких возможностей микролегирования и значительного удешевления технологии изготовления конечного продукта по сравнению со стоимостью крупных оптически однородных кристаллов.
В связи с вышесказанным, исследования особенностей преобразования излучения с широким спектром в кристаллах ЫЫЬОз, КТР, ЬПОз и других средах, например, в композиционных системах, а так же изучение влияния воздействий внешнего электрического поля и температуры на оптические свойства данных материалов являются актуальными.
Целью диссертационной работы является исследование закономерностей преобразования по частоте широкополосного излучения в нелинейнооптических кристаллах, исследование зависимости оптических и электрических свойств композиционных систем политетрафторэтилен-1рафит (ПТФЭ-Г) от процентного соотношения матрица-наполнитель, а также исследование влияния внешних воздействий на оптические свойства нелинейных кристаллов и композитов ПТФЭ-Г.
6
Для достижения указанной цели в работе поставлены следующие задачи:
- Исследовать закономерности преобразования по частоте широкополосного излучения в нелинейных оптических кристаллах КТР, ЫЫЬОз, 1ЛЮз.
- Выяснить зависимость эффективности преобразования излучения в кристаллах от частоты используемого излучения, а также исследовать влияние внешнего электрического поля на характеристики преобразованного излучения.
- Изучить возможность одновременной регистрации интерференционных коноскопичсских картин кристаллов и изображения объектов.
- Выяснить возможность записи информации за счет наведенной внешним электрическим полем анизотропии в кристаллах.
- Исследовать вольтамперные характеристики кристалла ниобата лития в области высоких и низких электрических напряжений.
- Рассмотреть влияние температуры и градиента температуры на оптические свойства кристаллов ниобата лития.
- Изучить оптические и электрофизические свойства нового нелинейного материала ПТФЭ - Г.
Для достижения поставленной цели и решения задач использованы теоретические и экспериментальные методы исследования (фотоэлектрический, фотографический, спектроскопический, визуальное наблюдение).
Используемые методы и полученные в диссертационной работе результаты могут служить основой для создания приборов, применяемых для визуализации ИК-объектов; для неразрушающих исследований и контроля объектов, в том числе и нелинейных кристаллов, а также для целей модуляции излучения видимого и ИК диапазонов.
7
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы.
В первой главе приведен обзор теоретических и экспериментальных работ по особенностям векторных взаимодействий в нелинейных оптических кристаллах, по преобразованию широкополосного излучения в кристаллах. Проведен анализ литературных данных по влиянию электрических и тепловых полей на оптические свойства кристаллов, описаны эффекты записи изменения оптических свойств кристаллов (фоторефракция, рептгенорефракция, формирование инверсных доменов и другие). Описаны оптические явления, происходящие в нелинейных гетероструктурах (фильтрация оптического излучения, аномальное рассеяние и поглощение света).
Во второй главе рассмотрены векторные и коллинеарные взаимодействия световых волн в нелинейнооптических кристаллах ЫМЮз, 1ЛЮ3, КТР. Приведены результаты экспериментальных и теоретических исследований по преобразованию И К излучения в этих кристаллах.
Третья глава посвящена исследованию влияния внешнего электрического поля на оптические характеристики кристаллов. Также рассмотрены некоторые эффекты, возникающие при нагреве.
В четвертой главе представлены результаты по исследованию электрофизических и оптических свойств нелинейного композиционного материала политетрафторэтилен-графит.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Выявлены и исследованы закономерности преобразования по частоте инфракрасного широкополосного излучения в видимую область спектра в
8
кристаллах КТР, 1ЛЫЮз, ЫЮ3. Эффективность преобразования резко возрастает при продвижении в коротковолновую область спектра.
2. В кристаллах ниобата лития за счет электрооптического эффекта изменяется направление фазового синхронизма в достаточно большой области углов (-2-2,5°), что позволяет модулировать излучение гармоники по интенсивности или использовать методику сканирования частоты синхронизма для определения качества кристаллов.
3. В кристалле ниобата лития возможна запись и считывание электрооптических изменений показателя преломления.
4. При неоднородном нагреве, а затем охлаждении кристалла ПКЬОз в нем образуется «решетка коноскопических картин».
5. Экстремумы градус-амперной характеристики расположены в температурной области фазовых переходов I и II рода политетрафторэтилена в составе ПТФЭ-Г композиционного материала.
6. Проводимость композитов ПТФЭ-Г имеет туннельный характер, а их коэффициент пропускания существенно зависит от технологии изготовления.
Основные результаты исследований опубликованы в работах [5-25] и были представлены на следующих научных конференциях:
1. 1 Пой международной конференции по проблемам нелинейной оптики и лазерной техники. Новосибирск, 23 июня 1997 г.
2. Междун. науч. конф. молодых ученых Сибири, Дальнего Востока и стран АТР «Молодежь и наука - регионам». 19-20 мая 1997 г. Хабаровск.
3. Междун. симпозиуме (Первые Самсоновские Чтения) «Принципы и процессы создания неорганических материалов». Хабаровск, 12-16 мая 1998 г.
4. XVI Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике, «1СОМО-98». Москва, 29 июня - 3 июля 1998 г.
- Киев+380960830922