Введение
ОГЛАВЛЕНИЕ
4
Глава 1. Взаимодействие электромагнитного излучения с ноляритонными и поляронными возбуждениями в кристаллах
12
§1. Процессы рассеяния света на фононных поляритонах............13
1.1. Дисперсия объемных и поверхностных фононных
поляритонов..........................................13
1.2. Методы исследования поляритонов......................20
1.2.1. Спонтанное параметрическое рассеяние (СПР) и рассеяние света на равновесных поляритонах
(РСП)..........................................20
1.2.2. Активная спектроскопия объемных поляритонов...25
1.2.3. Активная спектроскопия поверхностных поляритонов..........................................35
§2. Взаимодействие электромагнитного излучения с поляронами 41
2.1. Краткие сведения о механизме образования
поляронов............................................41
2.2. Взаимодействие ноляронов с электромагнитным излучением и методы их оптической диагностики 44
Глава 2. Исследование точечных дефектов структуры и поляронов в легированных кристаллах ниобата лития оптическими методами ....................................... 52
§1. Кристаллическая структура и оптические свойства ниобата лития (но литературе).................................................53
1.1. Структурные дефекты в номинально чистых кристаллах
ниобата лития........................................53
1.2. Фоторефрактивные свойства кристаллов ниобата лития
иЫЪОз................................................56
1.3. Влияние структурных дефектов на оптические свойства
легированных кристаллов иЫЬОз:!^.....................58
1.4. Поляроны в кристаллах ЫЫЬОз и LiNbOз:Mg..............60
§2. Исследование структурных дефектов в легированных кристаллах ниобата лития оптическими методами в видимом и инфракрасном диапазонах......................................................62
2.1. Принципы анализа концентрационных и дисперсионных
зависимостей диэлектрической проницаемости легированных кристаллов ЫМЪОз.Мё.....................62
2.2. Исследование дисперсии показателей преломления
кристаллов LiNbOз:Mg в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах..............................64
2
2.3. Исследование дисперсии диэлектрической проницаемости
кристаллов 1лЫЬОз.1\^ в инфракрасном диапазоне...........................................71
2.3.1. Установка для наблюдения спонтанного параметрического рассеяния света: СПР-
спектрометр......................................71
2.3.2. Исследование кристаллов иЫЬОэ'.К^ методом СПР-спектроскопии......................................73
2.3.3. Исследование кристаллов 1лЫЬОз:М§ методом Фурье-спектроскопии................................82
2.4. Возможные механизмы включения примеси в
кристаллическую структуру ниобата лития..............89
§3. Исследование поляронов малого радиуса в номинально чистых и легированных кристаллах ниобата лития..........................93
3.1. Спектры поглощения нередуцированных и химически
редуцированных кристаллов 1лЫЬОз:М§ в видимом и инфракрасном диапазонах.............................93
3.2. Определение основных параметров, характеризующих
свойства поляронов в кристаллах 1лЫЬОз:М^...........97
Глава 3. Спектроскопия поляритонных возбуждений в кристаллах ниобата лития......................................101
§1. Исследование поляритонов в кристаллах и14ЬОз:Мё методом
спонтанного рассеяния света...................................102
§2. Исследование поляритонов в кристаллах 1лЫЬОз:М^ методом активной спектроскопии четырехволнового рассеяния света 104
2.1. Экспериментальная установка для исследования
поляритонов методом каскадного когерентного четырехволнового рассеяния света...................104
2.2. Поляритонные линии рассеяния в нередуцированных и химически редуцированных кристаллах ЫЫЬОз:!^ 107
2.3. Исследование влияния поляронов на дисперсию линейной
и нелинейной оптических восприимчивостей............ИЗ
Заключение....................................................121
Приложение....................................................124
Список литературы.............................................130
3
ВВЕДЕНИЕ
Диссертационная работа посвящена комплексному экспериментальному исследованию иоляритонных и поляронных возбуждений в легированных монокристаллах ниобата лития 1лЫЬОз:М^.
Электромагнитная волна в среде взаимодействует с дипольно-активными колебаниями кристаллической решетки, если частота волны близка к частотам фононов. Фотон-фононное взаимодействие приводит к образованию поляритонов - возбуждений смешанной электромагнитно-механической природы. Дисперсия поляритонов чрезвычайно чувствительна даже к очень малым изменениям параметров кристаллической решетки, поскольку она зависит от параметров фононной подсистемы кристалла.
Если в зоне проводимости кристалла появляются свободные электроны, то они взаимодействуют с фонолами. Если это взаимодействие достаточно сильное, то электроны локализуются в кристалле, и образуются поляроны. Элсктрон-фононное взаимодействие, приводящее к перенормировке электронных спектров, должно приводить и к изменению фононных характеристик, т.к. за счет образования поляронов меняются силы связи между ионами кристаллической решетки. При этом также могут изменяться константы затухания фононов, их частоты и силы осцилляторов, возможно появление дополнительных локальных решеточных колебаний. Кроме того, электрон-фононное взаимодействие может влиять и на энгармонизм кристаллической решетки. Отклик поляронов на электромагнитное излучение в спектральной области вдали от фононных резонансов достаточно полно теоретически и экспериментально исследован, применительно к самым различным случаям и кристаллическим средам. В то же время, ощущается недостаток работ, посвященных исследованиям отклика кристаллов, содержащих поляроны, на электромагнитное поле в фононной области спектра. Малоисследованными остаются также вопросы о влиянии поляронов на энгармонизм колебаний решетки. В связи с этим, особенно актуально использование методов нелинейной лазерной спектроскопии рассеяния света, дающих информацию о дисперсии среды в далеком ИК-диапазонс спектра. Вместе с тем лазерное воздействие, в свою очередь, может изменять состояние среды. Поэтому представляет интерес анализ условий, в которых существующие спектроскопические методы применимы для исследования электрон-фононного взаимодействия и являются невозмущающими.
Исследования поляронных и поляритонных возбуждений проводились в кристаллах ниобата лития. Уникальные свойства
4
структуры этих кристаллов, обладающей большим количеством самых разнообразных дефектов, делают очень привлекательным использование ЫЫЬОз в качестве ‘‘полигона” для фундаментальных исследований в разных областях физики твердого тела.
Кроме того, ниобат лития очень перспективен в прикладном отношении. Кристаллы УЫЬОз широко используются в современной лазерной физике в связи с их уникальными электрооптическими и нелинейно-оптическими свойствами. Он по-прежнему является одним из лучших материалов для преобразования частоты лазерного излучения (благодаря высокой нелинейной восприимчивости и возможности осуществления квазисинхронных процессов), используется в электрооптике, перспективен для объемной записи информации и т.д.
Даже номинально чистые кристаллы УЫЬОз отличаются по химическому составу (отношение числа атомов У к числу атомов N6 Я =[У]/[МЬ] может варьироваться от 0.8 до 1.0 и более), что приводит к высокой концентрации дефектов самых разных типов [75,94]. Кроме того, номинатьно чистые кристаллы обладают фоторефрактивными свойствами, приводящими к значительному изменению оптических характеристик под действием мощного лазерного излучения. Для подавления фоторефракции в расплавы, из которых выращиваются кристаллы, добавляют примеси некоторых химических элементов, например, N4^, Бс, или 1п [83]. Напротив, использование таких примесей, как Гс, Си, способствует усилению фоторефракции [96]. Взаимодействие примесей с собственными дефектами делает структуру реальных легированных кристаллов крайне сложной, а тонкие детали дисперсии их оптических параметров практически непредсказуемыми. Задачи определения дисперсионных характеристик кристаллов в зависимости от концентрации легирующей примеси и, как следствие, от особенностей кристаллической структуры, становятся очень актуальными в прикладном отношении. В видимом диапазоне спектра эти задачи решаются традиционными линейно-оптическими методами [89,90]. Измерение оптических характеристик в инфракрасном диапазоне удобно проводить методами нелинейной спектроскопии спонтанного параметрического рассеяния света, поскольку информация о свойствах среды в ИК-диапазоне заложена в спекграх рассеянного излучения, лежащего в видимом диапазоне. Для измерений в поляритонной области спектра в дальнем ИК дипазоне особенно перспективными представляются методы активной спектроскопии поляритонов. Кроме того, эти нелинейно-оптические методы позволяют исследовать динамические параметры кристаллической решетки, такие как: частоты и силы осцилляторов фундаментальных резонансов, константы затухания, решеточный энгармонизм и.т.д. Исследование этих параметров может послужить ключом к
5
пониманию структурных перестроек, происходящих в кристаллах на микроскопическом уровне при изменении химического состава.
Решение “прямой” задачи - исследования оптических свойств в зависимости от концентрации легирующей примеси, важно в прикладном отношении для создания параметрических генераторов света, эффективных преобразователей электромагнитного излучения и различных устройств квантовой электроники. “Обратная” же задача -исследование структурных дефектов из оптических свойств -представляется перспективной дня развития методов экспресс-анализа степени “дефектности” кристалла. Кроме того, данные оптических измерений в совокупности с данными других методик (рентгеноструктурного анализа, комбинационного рассеяния) могут служить стимулом для выращивания кристаллов с заданными оптическими свойствами.
Наличие большого числа разнообразных дефектов в кристаллах ниобата лития благоприятно для возникновения поляронов малого радиуса (ПМР). При попадании электрона в зону проводимости -например, вследствие перехода электрона под действием света с примесного уровня или в результате двухфотонного поглощения -электрон при достаточно сильном электрон-фононном взаимодействии может локализоваться на дефекте. В последнее время, в связи с исследованиями кинетики поляронов малого радиуса, в прикладном аспекте представляется перспективной голографическая запись и считывание информации [106-111]. Запись в подобных экспериментах производится двумя накачками с одинаковыми частотами (англ. writing pumps) в присутствии третьей волны подсветки с большей частотой (gating pump). Считывание обычно производится накачкой с частотой в ИК или красном диапазоне спектра. Преимуществом такого способа двухчастотной голографической записи информации перед традиционными одночастотными схемами является неразрушаемостъ записанной информации в процессе считывания, поскольку энергии фотонов “считывающей” накачки недостаточно для переходов с глубокого электронного уровня в зону проводимости и стирания записанной информации.
Отметим, что, хотя в последнее время наблюдается рост числа экспериментальных и теоретических работ, посвященных исследованию поляронов в кристаллах ниобата лития, остается довольно много малоисследованных вопросов в этой области. Каковы величины основных параметров, характеризующих динамику поляронов в LiNb03? Какую роль играют поляроны в фоторефракции? Как влияют поляроны на фононный спектр кристаллов LiNb03 (а также и других кристаллов)? Что происходит с проводимостью и фоторефрактивными свойствами при когерентном возбуждении фононов?
6
Из всею вышесказанного следует актуальность работы, обусловленная фундаментальным интересом к проблемам, связанным с физическими свойствами поляронов и практическим интересом к легированным кристаллам ниобата лития.
Итак, сформулируем задачи диссертационной работы:
1. Экспериментальное исследование влияния поляронных возбуждений на оптические свойства кристаллов ЫЫЬОз:!^ как в фононной области спектра, так и вдали от фононных резонансов.
2. Определение основных параметров, характеризующих оптические и динамические свойства поляронов в ниобатс лития.
3. Исследование структурных дефекте и механизма вхождения легирующей примеси в кристаллическую структуру 1дЫЬОз:1У^ с использованием различных линейно и нелинейно-оптических методов.
Практическая ценность диссертации состоит в возможном использовании полученных результатов в различных областях лазерной физики и физики твердого тела:
• при конструировании нелинейно-оптических устройств преобразования лазерного излучения на основе кристаллов ниобата лития
• для оптической записи и считывания информации
• для экспресс-анализа особенностей кристаллической структуры оптическими методами
Новизна диссертационной работы заключается в следующих положениях:
1. В кристаллах 1лМЬОз:Мё с различным содержанием легирующей примеси Мё определены основные параметры, характеризующие оптические свойства поляронов малого радиуса.
2. Исследовано спонтанное рассеяние света на равновесных поляритонах и четырехволновое рассеяние света на когерентных поляритонах в химически редуцированных кристаллах 1лЫЬОз:М^ с большой концентрацией поляронов:
■ исследован вклад иоляронов в диэлектрическую проницаемость в поляритонной области спектра
■ выявлены различия в характере протекания процессов спонтанного рассеяния света на равновесных поляритонах и рассеяния на когерентно-возбужденных поляритонах, в условиях поляритонного Ферми-резонанса
■ обнаружены существенные количественные и качественные отличия данных СПР-сиектроскопии от экспериментальных
7
данных, полученных с помощью других методик (например, метода наименьшего отклонения призмы).
3. Измерены оптические характеристики кристаллов иЫЮз:!^ в инфракрасном диапазоне с различной степенью легирования.
4. На основании данных об оптических свойствах 1лМ)Оз:Мё в инфракрасном диапазоне, исследован механизм вхождения легирующей примеси 1^ в кристаллическую структуру ниобата лития.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Концентрационные зависимости вариаций диэлектрической
проницаемости Ае(С^) кристаллов иЫЬОз:Г^ с ростом
концентрации примеси 1У^ меняются немонотонно. Существуют скачкообразные изменения, усиливающиеся при приближении к частотам фононов. Наблюдаемое поведение
функций Де.(Смё) свидетельствует о существенной
перестройке полрешетки структурных дефектов при легировании магнием в узком диапазоне концентраций примеси 4.4-5.7 мол %.
2. Осцилляторная модель не описывает дисперсию коэффициентов поглощения кристаллов 1лМЮз:Мё,
измеренную методом Фурье-спектроскопии, вблизи края фононного поглощения. В диапазоне 4-8 мкм (1200 - 2500 см“1) дисперсионные зависимости коэффициентов поглощения имеют периодическую структуру, носящую характер фоноиных повторений.
3. Зависимости коэффициента поглощения электромагнитного излучения поляронами малого радиуса в кристаллах 1лМЬОз:М§ от температуры редуцирования в диапазоне 400-
6000с имеют немонотонный характер.
4. В легированных магнием кристаллах ниобата лития с концентрацией примеси, превышающей 4.4 мол %, реализуется эстафегный механизм поляронной проводимости. В этом случае имеют место перескоки поляронов между узлами кристаллической решетки на расстояния, превышающие межатомные.
5. Данные измерений методами СПР-сиектроскопии действительной части диэлектрической проницаемости существенно расходятся с данными, полученными с помощью других оптических методов измерений. Обнаруженные отклонения нарастают при приближении
8
частоты холостого излучения к фононным частотам и корреллируют с расхождениями результатов измерений коэффициента поглощения с осцилляторной моделью.
6. Получено аналитическое выражение для распределения интенсивности сигнальной волны четырехволнового рассеяния на когерентных поляритонах с учетом комплексною характера квадратичной и кубической нелинейных восприимчивостей.
7. Резонансное оптическое возбуждение перескоков поляронов малого радиуса между узлами кристаллической решетки приводит к увеличению силы осциллятора бифонона, проявляющегося в поляритонном Фсрми-рсзонансе в LiNBC>3:Mg вблизи 532 см"1.
Результаты работы прошли апробацию на восьми международных конференциях по нелинейной оптике и спектроскопии: ICONO'98, Москва, Россия, 1998; “Комбинационное рассеяние”, Москва, Россия, 1998; “Фундаментальные проблемы оптики ”, Санкт-Петербург, Россия, 2000; ECW-2000, Москва, Россия, 2000; 2(ph European CARS Workshop, Лунд, Швеция, 2001; ICONO-2001, Минск, Беларусь, 2001; “Оптика-200/ ”, Санкт-Петербург, Россия, 2001; ECONOS, Виллиген, Швейцария, 2002.
Диссертационная работа состоит из трех глав, введения, заключения и приложения
В первой главе на основании литературных данных и оригинальных результатов, изложены теоретические модели, описывающие
взаимодействие электромагнитного излучения с поляритонами и поляронами в кристаллах. Излагаются вопросы, связанные с применением различных нелинейно-оптических методов для исследования поляритонных возбуждений. Рассмотрен механизм образования поляронов, приводятся основные параметры,
характеризующие свойства поляронов.
Вторая глава посвящена экспериментальному исследованию точечных структурных дефектов и поляронов малого радиуса в легированных монокристаллах ниобата лития различными оптическими методами. Приводятся оригинальные результаты исследований дефектов
кристаллической структуры с использованием различных оптических методик. Последний параграф этой главы посвящен экспериментам по исследованию влияния поляронов на оптические свойства ниобата лития и решению обратной задачи: определению основных
9
параметров поляронных возбуждений из спектров оптического поглощения.
Третья глава посвящена экспериментальному исследованию поляритонов в кристаллах ниобата лития. В этой главе приводятся экспериментальные результаты по четырехволновому рассеянию света на поляритонах в нередуцированных и химически редуцированных кристаллах LiNb03:Mg. Основная цель этих экспериментов - выявление поляронного вклада в диэлектрическую проницаемость в поляритонной области спектра.
В заключении сформулированы основные выводы и результаты диссертационной работы, представляющие собой суть выносимых на защиту положений.
Основные материалы диссертации опубликованы в следующих работах":
K:l. G.Kh.Kitaeva, К.A.Kuznetsov, A.N.Penin, and A.V.SIiepelev -“Influence of small polarons on the optical properties of Mg:LiNbO$ crystals”, Phys.Rev.B., 65, 054304-1 (2002).
K:2. Г.Х.Китаева, К.А.Кузнецов, И.И.Наумова, АН.Пении "Влияние дефектов структуры на оптические свойства монокристаллов LiNbOyMg", Квантовая электроника, 30, №.8, с.726-732 (2000).
К:3. G.Kh.Kitaeva, К.A.Kuznetsov, A.A.Mikhailovsky, A.N.Penin -"Cascaded coherent Raman scattering by phonon polaritons", J.Raman.Spec., 3J_, p.767-773 (2000).
K:4. G.Kh.Kitaeva, K.A.Kuznctsov, S.V.Solosin, A.N.Penin - ".Four-Wave Scattering by Phonon Polaritons under Excitation of Small Polarons in LiNbOyMg”. Proc. SPIE Vol. 4749, p. 48-55 (2002).
K:5. G.Kh.Kitaeva, K.A.Kuznetzov, A.A.Mikhailovsky, 1.1.Naumova, A.N.Penin - "Four-wave scattering by coherently excited polaritons," Тезисы докладов международной конференции ICONO'98, 1998г. Москва, Россия.
К:6. Г.Х.Китаева, К.А.Кузнецов, А.А.Михайловский, И.И.Наумова, А.Н.Пенин - "Применение методов трех- и четырехволновой спектроскопии рассеяния света для исследования дефектной структуры кристаллов LiNb03:Mg", Тезисы докладов международной конференции "Комбинационное рассеяние", 1998 г. Москва, Россия.
К:7. G.Kh.Kitaeva, K.A.Kuznctsov, A.A.Mikhailovsky, A.N.Penin -"Shape of the polarі ton line under cascaded coherent four-wave scattering", Тезисы докладов международной конференции по нелинейной спектроскопии рассеяния света ECW-2000, 2000 г. Москва, Россия.
10
К:8. Г.Х.Китаєва, К.А.Кузнецов, А.А.Михайловский, А.Н.Пенин, С.В.Солосин - "Каскадное четырехволновое рассеяние света на объемных и поверхностных поляритонах в нецентросимметричных средах”, Тезисы докладов международной конференции “Фундаментальные проблемы оптики”, проходившей в рамках Международного Оптического Конгресса “Оптика-21 век”, 2000 г. Санкт-Петербург, Россия.
К:9. G.Kh.Kitaeva, K.A.Kuznetsov, S.V.Solosin, A.N.Penin - “The simultaneous excitation of phonon polaritons and small polarons under cascaded coherent four-wave scattering in LiNbOyMg", Тезисы докладов международной конференции по нелинейной спектроскопии рассеяния света 201h European CARS Workshop, 2001 г. Лунд, Швеция.
К: 10. G.Kh.Kitaeva, K.A.Kuznetsov, S.V.Solosin, A.N.Penin - “Four-wave scattering by phonon polaritons under excitation of small polarons in LiNbOyMg”, Тезисы докладов 17-ой международной конференции по когерентной и нелинейной оптике ICONO-2001, 2001 г. Минск, Беларусь.
К: 11. Г.Х.Китаева, К.А.Кузнецов, А.Н.Пенин, С.В.Солосин - "Влияние поляронов малого радиуса на поглощение света в фононной области спектра в кристаллах LiNb03:Mg ”, Тезисы докладов 2-ой международной конференции молодых ученых и специалистов “Оптика-2001”, 2001 г Санкт-Петербург, Россия.
К: 12. G.Kh.Kitaeva, K.A.Kuznetsov, S.V.Solosin, A.N.Penin - “CSRS by Phonon Polaritons in the Presence of Small Polarons in Mg:IJNb03 Crystals”, Тезисы докладов международной конференции по нелинейной спектроскопии рассеяния света 21th European Conference on Nonlinear Optical Spectroscopy, 2002 г. Виллигсн, Швейцария.
* В дальнейшем будут использоваться именно эти обозначения
11
- Киев+380960830922