Трех- и четырехволновое рассеяние света на поляритонах в кристаллах ниобата лития с примесями

Данные по показателям преломления в видимой и ближней ИК области для кристалла No.4 были получены путем интерполяции данных для кристаллов No.3,5. В эксперименте возбуждался поляритон в окрестностях частот 541см-1, 550см-1, 558.5см-1, 560см-1. Для этого для каждого выбранного значения частоты поляритона w P устанавливается частота генерации перестраиваемого лазера w 2 в соответствии со вторым уравнением из (12). Затем лучи ИК накачек направлялись на кристалл под фиксированными углами q 1 и q 2 к направлению распространения зондирующей накачки. Далее измерялась зависимость интенсивности сигнала на частоте w S=w L-w 1+w 2 от угла поворота кристалла a в плоскости волновых векторов накачек.

Спектральные ширины линий накачек составляли приблизительно 1см-1 для излучения основной и второй гармоник YAG:Nd+3-лазера и не более 6см-1 для перестраиваемого лазера. Ширины линий рождавшегося сигнального излучения полностью соответствовали частотной структуре накачек. Пиковая мощность накачек на входе в кристалл: пробной волны ~ 0.25 Мвт, первого возбуждающего луча ~ 0.05 Мвт, второго возбуждающего луча ~ 0.01 Мвт. В эксперименте использовались накачки с частотами w L и w 1 с необыкновенной поляризацией, излучение перестраиваемого -лазера имело обыкновенную поляризацию. Величина интенсивности сигнала четырехфотонного рассеяния при точной настройке углового синхронизма существенно - почти на 4 порядка - превышала интенсивность спонтанного трехволнового рассеяния. При этом сигнал спонтанного рассеяния собирался со всей длины образца ~ 1 см, а сигнал четырехфотонного рассеяния - лишь с области пересечения лучей накачек длиной ~ 0,5-1мм.

Для каждой фиксированной сигнальной (а, значит, и поляритонной) частоты область решений условий точного синхронизма в пространстве углов a , q 1 и q 2 представляет собой участок кривой. С учетом возможной расстройки синхронизма эта кривая должна размываться. Для каждой разности частот w 1-w 2=w P была проведена серия измерений формы линии Is(a ), в которой взаимная ориентация зондирующей волны и одной из ИК накачек оставалась постоянной на входе кристалла, а угол падения другой ИК накачки менялся от постанова к постанову. Типичный вид отдельной формы линии рассеяния приведен на рис.17. На нижней оси абсцисс отложена расстройка пространственного синхронизма прямого процесса, на верхней оси абсцисс отложен угол поворота кристалла. Линия рассеяния имеет один ярко выраженный максимум с угловой шириной порядка 0.50, в единицах волновых расстроек - 600 см-1 . Однако, по ширине этой линии нельзя определить величину поглощения, так как существенна расходимость лучей. Было проверено, что при уменьшении расходимости первого возбуждающего луча уменьшается ширина линии рассеяния. Также в интенсивность сигнала складывается рассеяние на соседних частотах с определенной расстройкой, так как возбуждается поляритон с частотной шириной порядка 5 см-1. Каждая серия подобных измерений формы линии Is(a ), снятая при фиксированном угле q 2 и переменном угле q 1, представляла собой распределение Is(a,q 1).

На верхнем графике рис.18 на плоскости координат угол поворота кристалла a - угол падения ИК волны q 1 представлены результаты измерений для одной серии, в рамках которой сохранялись постоянными угол падения q 2=410 и центральная частота генерации w 2 перестраиваемого ИК лазера, при которой возбуждается поляритон на частоте n p=541 см-1. Точками отмечены положения максимумов экспериментально наблюдавшихся кривых Is(a ). Размер вертикальных штрихов соответствует ширинам максимумов. На нижнем графике рис.18 представлена интенсивность рассеянного излучения в максимуме при каждом положении угла q 1. При прохождении этой серии измерений при углах заведения первого "разогревающего" луча q 1=600-680, последовательно возбуждался поляритон на частотах n p=539-543 см-1. Наблюдалось увеличение интенсивности рассеянной волны при q 1=640-650, так как интенсивность второго "разогревающего" луча имеет максимум на частоте, соответствующей частоте поляритона n p=541 см-1. Зная взаимную ориентацию и длины волновых векторов , можно определить из уравнений (13) и (16) длину волнового вектора и показатель преломления поляритона. Основную ошибку в точность измерения показателя преломления вносит ширина линии генерации перестраемого лазера.

На графиках рис.19 представлены результаты серии измерений для угла q 2=29.50 и центральной частоты генерации w 2 перестраиваемого ИК лазера, при которой возбуждается поляритон на частоте n p=550 см-1. В данном случае наблюдается максимальная интенсивность сигнальной волны при угле q 1=570, это говорит о том, что при этом угле возбуждается поляритон на частоте n p=550 см-1. На рис.20 представлены перестроечные кривые серии измерений для двух кристаллов с концентрацией примеси магния 0.68масс.% и 0.79масс.% для угла q 2=18.50. При этом возбуждается поляритон в окрестности частоты n p=560 см-1. Очевидно отличие в перестроечных кривых и в положении максимума интенсивности рассеянной волны для двух кристаллов. На рис.21 представлена перестроечная кривая серии измерений для кристалла с концентрацией примеси магния 0.41масс.% для угла q 2=00. Этот кристалл имеет отличное от двух предыдущих кристаллов направление оси Z, поэтому необходимы другие значения углов заведения лучей, чтобы возбудить такую же частоту поляритона. Аналогично можно определить показатель преломления поляритона для этих трех образцов кристаллов на частоте n p=560 см-1.

Полученные с помощью четырехволновой методики значения обыкновенного показателя преломления на частоте 560 см-1 для кристаллов с различной концентрацией магния равны: no(0.41масс.%Mg)=6.53, no(0.68масс.%Mg)=6.37, no(0.79масс.%Mg)=6.2. Основную долю в погрешность измерения no вносит точность измерения частоты перестраемого лазера и частотная ширина его генерации. Однако, при фиксированной частоте поляритона точность измерения частоты перестраемого лазера на ошибку величины изменения показателя преломления не влияет. Поэтому в данном случае ошибка измерения изменения показателя преломления в зависимости от концентрации примеси не превышает ± 0.02. Таким образом, мы можем сказать, что на верхнем фононном поляритоне проявляется аналогичная зависимость, как и в видимом диапазоне: при увеличении концентрации примеси показатель преломления падает.

 

 

 

 

 

Рис.17. Форма линии рассеяния при повороте кристалла.

Рис.18. Перестроечная кривая a (q 1) и интенсивность рассеянного излучения I(q 1) при угле падения q 2=410 и возбуждении поляритона в окрестности частоты n p=541см-1 для кристалла ниобата лития с концентрацией примеси магния 0.68масс.%.

Рис.19. Перестроечная кривая a (q 1) и интенсивность рассеянного излучения I(q 1) при угле падения q 2=29,50 и возбуждении поляритона в окрестности частоты n p=550 см-1 для кристалла ниобата лития с концентрацией примеси магния 0.68масс.%.

Рис.20. Перестроечная кривая a (q 1) и интенсивность рассеянного излучения I(q 1) при угле падения q 2=18,50 и возбуждении поляритона в окрестности частоты n p=560 см-1 для кристаллов ниобата лития с концентрацией примеси магния:

0.68масс.% l ; 0.79масс.% n .

Рис.21. Перестроечная кривая a (q 1) и интенсивность рассеянного излучения I(q 1) при угле падения q 2=00 и возбуждении поляритона в окрестности частоты n p=560см-1 для кристалла ниобата лития с концентрацией примеси магния 0.41масс.%.

Рис.22. Дисперсия поляритонов, измеренная по трехволновой и четырехволновой методике для кристаллов ниобата лития с концентрацией примеси магния:

0.41масс.% s ; 0.68масс.% l ; 0.79масс.% Ž .

.

Заключение.

В работе исследовались кристаллы ниобата лития с различной концентрацией магния. При этом использовались метод спонтанного параметрического рассеяния и четырехволновое смешение.

1. Получены зависимости показателей преломления в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне от концентрации примеси магния. Концентрация примеси магния менялась в пределах 0-1%.

2. Обнаружено аномальное поведение необыкновенного показателя преломления в полидоменном кристалле.

3. Наблюдалась нелинейная дифракция при спонтанном параметрическом рассеянии в полидоменном кристалле. Определен период доменной структуры в полидоменном кристалле методом СПР.

4. Получены дисперсии обыкновенного показателя преломления на поляритонных частотах для кристаллов с различной концентрацией примеси методом СПР. Однако, этот метод не позволил обнаружить отличия дисперсионных характеристик кристаллов в дальней инфракрасной области.

5. Измерен обыкновенный показатель преломления на поляритоне фонона 580 см-1 для трех концентраций примеси магния методом четырехволнового смешения. Этот метод дает гораздо большую точность, что позволило обнаружить разницу в показателе преломления для кристаллов с различной концентрацией примеси магния.

6. Разработана методика четырехволнового смешения на когерентно возбуждаемых поляритонах.

Список литературы.

1. Д.Н.Клышко. Фотоны и нелинейная оптика, Наука, М., 1980 г.

2. J.P.Coffinet and F. De Martini. Phys.Rev.Lett. vol.22, №2, pp.60-64 (1969).

3. Д.Н.Клышко. Письма в ЖЭТФ, 6, 490, 1967.

4. Д.Н.Клышко, В.Ф.Куцов, А.Н.Пенин, Б.Ф.Полковников. ЖЭТФ, 62,

1846, 1972.

5. Ф.Цернике, Д.Мидвинтер. "Прикладная нелинейная оптика". "Мир"; М.; 1976.

6. А.Л.Александровский, Г.Х.Китаева, С.П.Кулик, А.Н.Пенин. "Нелинейная дифракция при параметрическом рассеянии света".ЖЭТФ, 63, 613-615, 1986.

7. А.Л.Александровский, П.Посмыкевич, И.А.Яковлев. ФТТ, 25, 1199, 1983.

8. A.L.Aleksandrovski, I.I.Naumova, V.V.Tarasenko. Ferroelectrics, 141, 147-152, 1993.

9. А.Л.Александровский, О.А.Глико, И.И.Наумова, В.И.Прялкин. "Линейная и нелинейная дифракционные решетки в монокристаллах ниобата лития с периодической доменной структурой". Квантовая электроника, т.23, №7, с. 1-3, 1996.

10. А.Л.Александровский, Г.И.Ершова, Г.Х.Китаева, С.П.Кулик, И.И.Наумова, В.В. Тарасенко."Дисперсия показателей преломления в кристаллах LiNbO3:Mg и LiNbO3:Y". Квантовая электроника, 18, 254-256, фев., 1991.

11. Г.М.Георгиев, Г.Х.Китаева, А.Г.Михайловский, А.Н.Пенин, Н.М.Рубинина. Физ. Тверд. Тела (Ленинград), 16, 3524, 1974.

12. Д.Н.Клышко, А.Н.Пенин, Б.Ф.Поливанов. "Параметрическая люминисценция и рассеяние света на поляритонах". Письма в ЖЭТФ, 2, 11-14, 1970.

13. Winter F.X, Claus R. Optic Communication, 6, 22-25, 1972.

14. Ю.Н.Поливанов, А.Т.Суходольский. "Наблюдение интерференции прямых и каскадных процессов при активной спектроскопии поляритонов". Письма в ЖЭТФ, 25, 240-244, 1977.

15. В.Л.Стрижевский, Ю.Н.Яшкир. . Квантовая электроника, т.2, №5, стр.995, 1975.

16. F.DeMartini, G.Giuliani, P.Mataloni, E.Palange and Y.R.Shen. Phys.Rev.Lett. vol.37, №7, pp.440-443, 1976.

17. G.M.Gale, F.Vallee, and C.Flitzanis. Phys.Rev.Lett. vol.57, №15, pp.1867-1870, 1986.

18. Ахманов С.А., Коротеев Н.И. "Методы нелинейной оптики в спектроскопии рассеяния света". с. 38, 1981.

19. Д.Н.Клышко. Квантовая электроника, т. 2, 2, c. 265-271,1974.