Векторные взаимодействия световых волн при фотоиндуцированном рассеянии света в кристаллах ниобата лития 01. 04. 05 Оптика

Вид материала

Автореферат диссертации

Содержание Общая характеристика работы Основные задачи Методы исследования Научная новизна работы Связь с государственными программами и НИР Практическая ценность работы Апробация работы Структура и объем работы Основные защищаемые положения Содержание работы Первая глава Во второй главе В параграфе 2.2. В параграфе 2.3. В параграфе 2.4. В параграфе 2.5. В третьей главе В параграфе 3.1 В параграфе 3.2 Четвертая глава ... Полное содержание

Подобный материал:

• Взаимодействие акустических волн и лазерных пучков с индуцированными решетками и доменными, 402.08kb.
• Процессы разупорядочения в фоторефрактивных монокристаллах ниобата лития и их проявление, 362.19kb.
• Дифракция света. Принцип Гюйгенса-Френеля. Метод зон Френеля. Дифракция Френеля, 57.78kb.
• Квантовая оптика (2 часа), 10.23kb.
• Исследование зависимости показателя преломления света в веществе от величины его электрический, 96.78kb.
• Календарный план занятий по дисциплине физикА (разделы Оптика, атомная и ядерная физика), 163.74kb.
• Лекция n15 Лекция 15, 285.42kb.
• Хоружий С. С. Шаг вперед, сделанный в рассеянии, 1192.62kb.
• Лекция № Дата: Раздел: «Оптика», 56.47kb.
• Глаз. Оптическая система глаза, 484.48kb.

На правах рукописи


МАКСИМЕНКО ВИТАЛИЙ АЛЕКСАНДРович


ВЕКТОРНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СВЕТОВЫХ ВОЛН

ПРИ ФОТОИНДУЦИРОВАННОМ РАССЕЯНИИ СВЕТА

В КРИСТАЛЛАХ ниобата лития


01.04.05 – Оптика


Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора физико-математических наук


Хабаровск

2010

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Дальневосточный государственный университет путей сообщения»


Научный консультант: заслуженный деятель науки РФ,

доктор физико-математических наук,

профессор

Строганов Владимир Иванович


Официальные оппоненты: заслуженный деятель науки РФ,

доктор физико-математических наук,

профессор

Маныкин Эдуард Анатольевич


доктор физико-математических наук,

профессор

Витрик Олег Борисович


доктор физико-математических наук,

профессор

Ванина Елена Александровна


Ведущая организация: ФГОУ ВПО «Санкт-Петербургский

государственный университет»


Защита состоится 9 июня 2010 года в 14 ⁰⁰ часов на заседании объединенного диссертационного совета ДМ 218.003.01 при ГОУ ВПО «Дальневосточный государственный университет путей сообщения»

по адресу: 680021, Хабаровск, ул. Серышева, 47, ауд. 204.


С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Дальневосточного государственного университета путей сообщения.


Автореферат разослан ___ мая 2010 года.


Ученый секретарь

диссертационного совета ДМ 218.003.01 Т.Н. Шабалина





^ ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Взаимодействия световых волн в нелинейных средах интенсивно изучаются в течение последних десятилетий, и интерес к данной области исследований не ослабевает. Это связано с высокой научно-практической значимостью указанной тематики. Нелинейно-оптические эффекты служат основой для многочисленных методов исследования свойств конденсированных сред, их использование весьма перспективно в устройствах квантовой электроники, интегральной и волоконной оптики. Также надо отметить огромное многообразие различных видов нелинейных взаимодействий световых волн и вариантов их реализаций. Это обусловлено тем, что сами механизмы, обеспечивающие взаимодействия, весьма разнообразны, а вариантов осуществления того или иного взаимодействия, относящегося к какому-либо механизму нелинейности, как правило, очень много. Можно выделить наиболее обширные классы подобных эффектов: это многочастотные процессы (генерация гармоник, генерация суммарных и разностных частот, вынужденное комбинационное рассеяние и т.п.), и взаимодействия, ведущие к изменению волновых векторов по модулю или направлению, а также изменению поляризационного состояния волн, но без изменения частоты (т.е. вырожденные по частоте). Такого рода взаимодействия без изменения частоты могут быть обусловлены, например, тепловыми или фоторефрактивными эффектами (ФРЭ) [1-3]. Под фоторефракцией (фоторефрактивным эффектом) в рамках настоящей работы будет пониматься изменение показателя преломления вещества n, которое возникает из-за наведенного светом пространственного переноса заряда.

Исторически первыми были изучены скалярные взаимодействия, когда взаимодействующие волны сонаправлены и не различаются по состоянию поляризации. Довольно много ранних работ посвящено процессам векторного взаимодействия, для случаев, когда поляризации волн различны, а волновые вектора коллинеарны. Хотя имеются работы, в которых рассматриваются некоторые частные случаи, когда и поляризация и направление волновых векторов различны [4-6], но общая картина не создана. Во многом это связано с тем, что при различии у взаимодействующих волн и поляризации и направления сложно выделить эффекты, обусловленные только неколлинеарностью волновых векторов. Детальное изучение неколлинеарного взаимодействия волн с одинаковой поляризацией важно, поскольку оно позволяет выявить особенности нелинейно-оптических явлений, обусловленные непосредственно неколлинеарностью взаимодействующих волн в тех или иных экспериментальных условиях. При этом существует проблема выявления таких условий реализации неколлинеарных взаимодействий световых волн с одинаковой поляризацией, при которых отсутствовали бы взаимодействия другого типа, а также были бы сведены к минимуму иные мешающие факторы (например, влияние тепловых эффектов). Эта проблема не решена, в первую очередь из-за отсутствия модельного объекта.

Имеются основания предполагать, что данные неколлинеарные взаимодействия с одинаковой поляризацией могут эффективно осуществляться в чистом виде в слаболегированных фоторефрактивными примесями кристаллах ниобата лития LiNbO₃ при облучении их светом с подходящей длиной волны. Однако это предположение требует проверки. Необходимо также определить те примеси, легирование которыми обеспечивало бы преимущество такого взаимодействия в кристаллах LiNbO₃ по сравнению с другими типами. Отметим, что реализуемые в кристаллах ниобата лития схемы векторных взаимодействий световых волн весьма разнообразны, они проявляют чувствительность к поляризации, длине волны и интенсивности излучения накачки. Это обусловлено тем, что кристаллы ниобата лития обладают уникальным набором электрооптических, нелинейнооптических и фотоэлектрических свойств, причем их свойствами можно управлять в широком диапазоне путем легирования различными примесями [3-5]. Учет оптической анизотропии, дихроизма, обусловленного примесным поглощением кристаллов, анализ особенностей электрооптического и фотовольтаического эффектов важны для выявления необходимых условий существования требуемого типа взаимодействия в этих кристаллах.

Эффективная реализация векторного взаимодействия в анизотропных фоторефрактивных кристаллах при использовании классических схем, когда в среде пересекаются несколько (в большинстве случаев – два) световых пучков затрудняется необходимостью подбора углов фазового синхронизма для взаимодействующих волн. Осложняющим фактором здесь является то, что в реальных кристаллах всегда имеются случайные пространственные флуктуации оптических и фотоэлектрических параметров среды, в результате чего условия синхронизма будут варьироваться при переходе от одной точки кристалла к другой. Также затрудняется подбор углов синхронизма из-за того, что пространственное распределение оптически индуцированной (в результате ФРЭ) анизотропии показателя преломления имеет сложный характер [6]. Однако данная проблема может быть решена, если требуемое взаимодействие (случай неколлинеарных волновых векторов и одинаковых поляризаций) осуществлять в виде фотоиндуцированного рассеяния света (ФИРС). ФИРС является следствием фоторефрактивного эффекта, представляя собой рассеяние когерентного оптического излучения на фотоиндуцированных мелкомасштабных неоднородностях показателя преломления среды. В случае рассеяния обеспечивается широкий угловой диапазон волновых векторов взаимодействующих волн, за счет чего условия фазового синхронизма (условия усиления) реализуются автоматически для волн пересекающихся под необходимыми углами. Таким образом, исследование пространственно-угловой структуры ФИРС является эффективным способом изучения новых типов векторных взаимодействий световых волн в фоторефрактивных кристаллах. Однако для правильной интерпретации результатов изучения ФИРС требуется модель, учитывающая характер взаимодействия, собственную и оптически наведенную анизотропию кристалла, а также пространственную неоднородность показателя преломления кристалла, в области, где происходит взаимодействие волн.

Исследования ФИРС, ведущиеся с 60-х годов двадцатого века (и особенно интенсивно с 80-х годов), изначально шли по двум направлениям: первое – нахождение условий подавления рассеяния и второе – использование экспериментальных данных исследования ФИРС для изучения свойств фоторефрактивных кристаллов. И если для многих практических приложений первая задача решена, то второе направление дает широкое поле деятельности [7]. Так, значительный интерес представляет разработка методов определения фотопроводимости среды посредством анализа закономерностей кинетики ФИРС. Другие методы нахождения фотопроводимости (по анализу кинетики дифракционной эффективности записанной в фоторефрактивной среде голограммы, либо прямым измерением тока, протекающего через образец) требуют достаточно сложных измерительных схем и высокоточной настройки измерительной техники. Определение фотопроводимости по анализу ФИРС представляется хотя и менее точным, но намного более простым способом, который может применяться в экспрессном режиме при проведении комплексных исследований свойств фоторефрактивных сред.

Наряду с активным исследованием вырожденных по частоте векторных взаимодействий, осуществляемых на решетках показателя преломления в фоторефрактивных средах, в последние годы растет интерес к многочастотным процессам, реализуемым на решетках квадратичной нелинейности (например, в периодически поляризованных кристаллах ниобата лития) [8]. Это направление имеет весьма большое прикладное значение, поскольку структуры с пространственно-периодической модуляцией квадратичной нелинейности могут служить эффективными преобразователями частоты оптического излучения. С данным направлением смыкаются работы по пространственной модуляции квадратичной нелинейности и фотоиндуцированной генерации второй гармоники (ФГВГ) в силикатных стеклах [9]. Выполнение условий фазового синхронизма в данном случае имеет ряд малоизученных особенностей. Так, не вполне выяснена природа пространственных осцилляций интенсивности второй гармоники, генерируемой на решетке квадратичной нелинейности, хотя можно предположить, что она связана с волновой расстройкой между оптической второй гармоникой и волной нелинейной поляризации среды.

Надо отметить также, что фотоиндуцированная модуляция квадратичной нелинейности принципиально возможна и в сегнетоэлектрических кристаллах типа ниобата лития (за счет ФРЭ). Возможности эти изучены мало, поэтому исследование взаимодействия световых волн при наличии пространственно-периодической квадратичной нелинейности в различных светочувствительных средах представляется интересной и важной задачей.

Все изложенные выше соображения предопределили постановку задачи и выбор методов и объектов исследований в работе.


Цель работы – исследование новых реализаций векторного взаимодействия световых волн, связанных с расстройкой волновых векторов взаимодействующих волн, при фотоиндуцированном рассеянии света в кристаллах ниобата лития. Выявление особенностей генерации второй оптической гармоники в среде с пространственно-периодической квадратичной нелинейностью.

^ Основные задачи диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Выявление особенностей формирования изображения оптически индуцированных дефектов в кристаллах ниобата лития, а также определение поляризационных характеристик излучения, прошедшего через область с оптическим повреждением.
   
2. Исследование анизотропии поглощения света в кристаллах ниобата лития с различными легирующими примесями и анализ влияния анизотропии поглощения на эффективность векторных взаимодействий световых волн различного типа в кристаллах ниобата лития.
   
3. Оценка влияния различных факторов (длины волны, интенсивности и поляризации падающего излучения, а также вида легирующей примеси) на процесс фотоиндуцированного рассеяния света в кристаллах ниобата лития.
   
4. Исследование процесса нестационарного энергообмена при векторном взаимодействии между рассеянным светом и накачкой в легированных кристаллах ниобата лития для различных интенсивностей пучка накачки.
   
5. Определение фотопроводимости легированных кристаллов ниобата лития путем анализа временных характеристик интенсивности фотоиндуцированного рассеяния.
   
6. Выбор модели фотогенерации свободных носителей заряда, согласующейся с экспериментально полученными люкс-амперными характеристиками и определение основного механизма транспортировки заряда в кристаллах ниобата лития, легированных родием.
   
7. Разработка методик построения и анализа индикатрис ФИРС, основанных на обработке цифрового фотоизображения программными средствами. Проведение анализа угловой зависимости коэффициента усиления ФИРС и оценка применимости существующих моделей ФИРС для описания фотоиндуцированного рассеяния света в кристаллах ниобата лития.
   
8. Выявление закономерностей формирования индикатрисы широкоуглового ФИРС в кристаллах ниобата лития.
   
9. Экспериментальное исследование особенностей пространственной структуры селективного по углу ФИРС в легированных кристаллах ниобата лития.
   
10. Разработка физико-математической модели четырехволнового взаимодействия световых волн необыкновенной поляризации (еее-е типа) для случая оптически анизотропной среды с пространственно неоднородным показателем преломления. Расчет пространственно-угловой структуры селективного по углу ФИРС еее-е типа в кристаллах ниобата лития.
    
11. Решение задачи о нахождении поля второй оптической гармоники, генерируемой в среде с записанной ⁽²⁾-решеткой.
    

^ Методы исследования

Для решения поставленных в работе задач применялись экспериментальные и теоретические методы. В процессе постановки и проведения эксперимента использовались фотоэлектрический, спектрофотометрический и фотографический методы, а также метод визуального наблюдения. Обработка и интерпретация результатов осуществлялись с использованием статистических методов, цифровых методов анализа изображений. При расчете фазы и интенсивности второй гармоники на ⁽²⁾-решетке применялся аналитический метод решения системы нелинейных дифференциальных уравнений с разделяющимися переменными.


^ Научная новизна работы

1. Исследована анизотропия поглощения в легированных кристаллах LiNbO₃. Установлено, что от рода легирующей примеси и от длины волны света зависит как величина, так и характер анизотропии поглощения.
   
2. Реализовано неколлинеарное взаимодействие световых волн с одинаковой (необыкновенной) поляризацией в кристаллах ниобата лития, легированных железом и родием. Данный тип взаимодействия получен в виде селективного по углу фотоиндуцированного рассеяния света необыкновенной поляризации (еее-е типа), которое ранее в литературе на описывалось.
   
3. Построена модель векторного четырехволнового взаимодействия еее-е типа в анизотропной среде с оптически наведенным, пространственно неоднородным изменением показателя преломления. В рамках модели описан экспериментально обнаруженный новый вид селективного ФИРС в легированных кристаллах ниобата лития.
   
4. Предложены цифровые методы анализа диффузных изображений, позволяющие упростить изучение пространственной структуры ФИРС. Построены индикатрисы ФИРС; выявлены закономерности угловой зависимости коэффициента преобразования ФИРС.
   
5. Экспериментально и теоретически исследованы индикатрисы селективного ФИРС еее-е типа в направлении прошедших и отраженных лучей в легированных кристаллах ниобата лития при различных углах падения пучка накачки.
   
6. Проведено экспериментальное изучение кинетики интенсивности ФИРС в кристаллах LiNbO₃:Fe и LiNbO₃:Rh при интенсивности пучка накачки, изменяющейся в диапазоне 1÷7 кВт/см² на длине волны 0,6328 мкм. Из анализа временных характеристик интенсивности ФИРС определен характер зависимости фотопроводимости кристаллов ниобата лития, легированных родием, от интенсивности излучения накачки.
   
7. Установлен характер пространственной зависимости амплитуды свободной и вынужденной волн на частоте второй гармоники (ВГ), возникающих на решетке квадратичной нелинейности. Амплитуда вынужденной гармоники осциллирует с изменением длины нелинейного взаимодействия L, амплитуда свободной гармоники линейно возрастает с увеличением L. Получена пространственная зависимость фазы результирующей волны второй гармоники, генерируемой на решетке квадратичной нелинейности.
   

Оригинальность и новизна результатов подтверждается публикациями в ведущих отечественных физических журналах.


^ Связь с государственными программами и НИР

Диссертационная работа автора связана с фундаментальными научно-исследовательскими темами ОАО «РЖД» «Анизотропное от­ражение и электрооптические свойства кристаллов» и «Фоторефрактивные свойства пироэлектрических кристаллов», выполняемыми на ка­федре физики Дальневосточного государственного университета путей со­общения. Часть результатов получена при поддержке Инновационно-образовательной программы, выполняемой в ДВГУПС (2007–2008 гг.).


^ Практическая ценность работы

Результаты, полученные в диссертационной работе, могут быть использованы для разработки нелинейно-оптических элементов и создания на их основе новых оптических устройств обработки, передачи, записи и хранения информации. Предложен цифровой метод анализа диффузных изображений. Метод построения индикатрис ФИРС, предложенный в работе, может применяться для анализа угловых зависимостей интенсивности излучения при решении различных исследовательских и прикладных задач оптики. Предложено использовать метод анализа временных зависимостей интенсивности ФИРС для оценки величины фотопроводимости легированных кристаллов ниобата лития.


^ Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на следующих конференциях:

1. Международном симпозиуме (Первые, Вторые, Третьи Самсоновские Чтения) «Принципы и процессы создания неорганических материалов», Владивосток, Хабаровск, 1998, 2002, 2006.
   
2. IV Всероссийской научно-технической конференции «Методы и средства измерений физических величин». – Нижний Новгород, 1999.
   
3. III Международном студенческом конгрессе стран АТР, Владивосток, 1999.
   
4. «Оптика-99», «Оптика-2001», «Оптика-2003», «Оптика-2005», межд. конф. молодых ученых и специалистов, Санкт-Петербург, 1999, 2001, 2003, 2005.
   
5. Международном симпозиуме «Modern problems of laser physics», Новосибирск, Россия, 2000.
   
6. «ICONO-2001» (XVII Международная конференция по когерентной и нелинейной оптике, КИНО’01), Белоруссия, Минск, 2001.
   
7. X, XII, XIII Международной конференции «Laser Optics», Санкт-Петербург, 2000, 2006, 2008.
   
8. VII Всероссийской школе-семинаре «Люминесценция и сопутствующие явления». Иркутск, 2001.
   
9. VII Международной конференции «Кристаллы: рост, свойства, реальная структура, применение». Александров, 2004.
   
10. XI Международном симпозиуме «Atmospheric and Ocean Optics. Atmospheric physics», Томск, 2004.
    
11. II Азиатско-Тихоокеанском Конгрессе «Fundamental Problems of Optoelectronics and Microelectronics», Хабаровск, 2004.
    
12. Международном оптическом конгрессе «Оптика – XXI век» – Санкт-Петер­бург, 2004, 2008.
    
13. Научной сессии МИФИ-2007, МИФИ-2009, МИФИ-2010, Москва, 2007, 2009, 2010.
    
14. Международной конференции «Оптика кристаллов и наноструктур», Хабаровск, 2008.
    
15. VIII школе «Нелинейные волны», Н. Новгород, 2008.
    
16. XXVI Всероссийской школе по когерентной оптике и голографии, Иркутск, 2008.
    

Публикации и вклад автора

По теме диссертации автором опубликована 41 работа, в том числе 9 статей в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией для соискателей ученой степени доктора наук, 2 монографии, 4 статьи на английском языке в сборниках трудов SPIE. Основные результаты диссертации отражены в 32 статьях, список которых приведен в конце автореферата.

Автору принадлежит формулировка цели и постановка задач исследований, обоснование способов их осуществления, непосредственное выполнение значительной части экспериментов, основных аналитических расчетов, анализ и систематизация результатов.


^ Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения, содержит 272 страниц машинописного текста, 92 рисунка, 4 таблицы и список литературы из 270 наименований, включая работы автора.


^ Основные защищаемые положения

1. В кристаллах ниобата лития, легированных родием, реализуются условия, дающие преимущество для взаимодействия неколлиарных световых волн с одинаковой (необыкновенной) поляризацией на длине волны 0,6328 мкм по сравнению с другими типами взаимодействий.
   
2. Построена физико-математическая модель, описывающая особый тип векторного (неколлинеарного) четырехволнового взаимодействия световых волн одинаковой (необыкновенной) поляризации при наличии волновой расстройки. Данное взаимодействие реализовано в виде селективного по углу фотоиндуцированного рассеяния света еее-е типа (ранее не исследованного) на длине волны 0,6328 мкм в легированных кристаллах ниобата лития. В рамках построенной модели исследованы основные закономерности обнаруженного рассеяния.
   
3. Обнаружены ранее не изученные особенности спекл-полей в картинах широкоуглового фотоиндуцированного рассеяния на длине волны 0,6328 мкм, сопутствующего селективному ФИРС еее-е типа (и обусловленного тем же типом взаимодействия). Фактором, влияющим на характеристики (контрастность, общее количество спеклов) спекл-структуры в картине рассеяния, являются фотоиндуцированные пространственно-временные флуктуации диэлектрической проницаемости в освещаемой области кристалла.
   
4. Изучены особенности энергообмена между волной накачки и рассеянными волнами в процессе фотоиндуцированного рассеяния света еее-е типа на длине волны 0,6328 мкм в легированных кристаллах ниобата лития. Установлено, что основной механизм фоторефракции в кристаллах ниобата лития, легированных родием, имеет фотовольтаическую природу. Процессы фотовозбуждения свободных носителей заряда в кристаллах ниобата лития, легированных родием, описываются двухцентровой моделью переноса заряда.
   
5. Объяснена природа пространственных осцилляций интенсивности второй гармоники, генерируемой в среде с пространственно модулированной квадратичной нелинейностью при выполнении условий фазового квазисинхронизма.