ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИХ КОЭФФИЦИЕНТОВ КРИСТАЛЛА НИОБАТА ЛИТИЯ
, ,
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Дальневосточный государственный университет путей сообщения», г. Хабаровск
E-mail: *****@***ru
В данной работе были определены электрооптические коэффициенты r13, r33, r22 ниобата лития. Измерение электрооптического коэффициента было произведено с помощью поляризационного метода.
Нелинейные оптические материалы привлекательны для использования в оптических устройствах и приборах. Интерес к электрооптическим (ЭО) эффектам обусловлен, в первую очередь, малой инерционностью световых параметров вещества по отношению к изменению внешнего поля.
Нелинейные оптические кристаллы находят широкое применение в оптических устройствах, таких как, оптические переключатели, модуляторы, преобразователи частоты, разветвители и т. д. [1, 2]. В настоящее время на практике такой кристалл как ниобат лития (LiNbO3) получил широкое применение. Широкое применение ниобата лития обусловлено:
· большими значениями электрооптических коэффициентов;
· большими значениями пьезоэлектрических коэффициентов;
· большими значениями пироэлектрических коэффициентов
· большими значениями нелинейностей;
· простым производством кристаллов больших размеров;
· устойчивостью по отношению к окружающей среде;
· относительно малой стоимостью.
Кристалл LiNbO3 используется в широком диапазоне длин волн от синего света до ближнего инфракрасного. Для производства оптических приборов и устройств необходимо знать значения электрооптических коэффициентов.
Целью данной работы было определение электрооптических коэффициентов кристалла ниобата лития.
Существует два метода определения электрооптических коэффициентов электрооптических кристаллов: интерферометрический (интерферометр Майкельсона, Маха-Цендера, Фабри-Перо) [1] и поляризационный (метод Сенармона) [4]. В данной работе представлены результаты измерений электрооптических коэффициентов кристалла ниобата лития конгруэнтного состава поляризационным методом.
Объектом исследования выбран кристалл ниобата лития, который принадлежит к группе 3m кристаллов. Тензор электрооптических коэффициентов имеет следующий вид [2]:
Коэффициент r51 численно равен коэффициенту r22.
На рисунке 1 приведена схема экспериментальной установки.
 |
В установке использовались: фотодиод ФД-24К, гелий-неоновый лазер ГН-5 с длиной волны 632,8 нм, мультиметр АКТАКОМ АМ-1097, генератор высоковольтного напряжения, кристалл ниобата лития с размерами вдоль кристаллофизических осей x×y×z соответственно 14×14×11 мм3.
Суть метода основана на том, что при приложении внешнего электрического поля к кристаллу, возникает электрооптический эффект.
Установка работает следующим образом. Излучение гелий-неонового лазера поляризуется с помощью поляризатора, затем на пути луча ставится анализатор, таким образом, чтобы их оси поляризации были перпендикулярны. Между скрещенными под 90 градусов направлениями пропускания поляризатора и анализатора устанавливается кристалл ниобата лития, так чтобы луч распространялся вдоль одной из кристаллофизической оси. А именно, для определения коэффициента r22 луч распространяется вдоль оси z, а на грани кристалла ниобата лития вдоль оси x и y подавалось постоянное электрическое напряжение от высоковольтного источника в диапазоне 0-13 кВ с шагом в 0,5 кВ. Для определения коэффициентов r13 и r33 свет распространялся вдоль осей x и y, напряжение подавалось вдоль оси z. Электрическое напряжение подавалось в диапазоне 0-3,5 кВ с шагом в 0,2 кВ. Для лучшего контакта электродов с гранями применялась токопроводящая паста.
За счет электрооптического эффекта в кристалле при приложении внешнего электрического поля изменяется показатель преломления кристалла. При прохождении лазерного луча через кристалл возникает фазовая задержка, которая приводит к тому, что интенсивность света на выходе из анализатора будет зависеть от величины фазовой задержки. Прошедшее через анализатор излучение попадает на фотодиод ФД-24К, соединенный мультиметром АКТАКОМ АМ-1097, который подключенный к компьютеру.
Фазовая задержка для нахождения коэффициента r22 определяется формулой [5]
, (1)
где n0 – обыкновенный показатель преломления;
r22 – электрооптический коэффициент;
U – напряжение;
l – длина кристалла, вдоль которой распространяется излучение;
λ – длина волны;
d – длина кристалла, вдоль которой прикладывается напряжение.
Фазовая задержка для нахождения коэффициентов r13 и r33 определяется формулой [5]:
, (2)
где r13 r33 – электрооптические коэффициенты;
Для исключения влияния поглощения был рассчитан коэффициент поглощения кристалла с помощью монохроматора МДР-41. Для этого на монохроматоре были получены спектры пропускания кристалла ниобата лития в диапазоне длин волн от 400 нм до 700нм. На рисунке 2 представлены спектры излучения галогеновой лампы и спектр пропускания кристалла ниобата. Коэффициент поглощения рассчитывался по формуле
(3)
Значение коэффициента поглощения для данного кристалла при длине волны излучения 632,8 нм равен 0,3 и учитывалось при определении электрооптических коэффициентов.
Экспериментальные зависимости относительной интенсивности от напряжения, используемые для нахождения электрооптических коэффициентов r13 и r33 представлены на рисунке 2.
Рис. 2. Зависимость относительной интенсивности от напряжения.
Направление света вдоль оси y, прикладываемое напряжение: ■ вдоль оси z, ♦ противоположно оси z
На данной зависимости видно, что от направления прикладываемого напряжения зависимость относительной интенсивности от напряжения практически не изменяется.
Далее вычисляется фазовая задержка для каждого значения напряжения
. (4)
Затем из формулы (2) рассчитываются связанные электрооптические коэффициенты r13 и r33 
.
Экспериментальная зависимость относительной интенсивности от напряжения используемая для нахождения коэффициента r22 представлена на рисунке 3.
Рис. 3. Зависимость относительной интенсивности от напряжения.
Направление света вдоль оси z, прикладываемое напряжение вдоль оси y, противоположно оси y.
Далее вычисляется фазовая задержка для каждого значения напряжения по формуле (4). Затем из формулы (1) рассчитывается электрооптический коэффициент r22.
Рис.4 Зависимость коэффициента r22 от прикладываемого напряжения
Таким образом, с помощью поляризационного метода были определены электрооптический коэффициент r22 и связанные коэффициенты r13 и r33 ниобата лития конгруэнтного состава. Среднее значение электрооптического коэффициента r22 с учетом поглощения получилось равным 6,56 пм/В, (ne3r33-no3r13)=104,3 пм/В. Экспериментальные значения электрооптического коэффициента определяемый авторами [6] (r22=6.54 пм/В). Экспериментальные значения связанных электрооптических коэффициентов (ne3r33-no3r13) определены авторами [7] (112 пм/В).
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. Seoung Hun Lee, Seung Hwan Kim. A novel method for measuring continuous dispersion spectrum of electro-optic coefficients of nonlinear materials// OPTICS EXPRESS. – 2009. –Вып. 17.- №12. – С. 9828-9833.
2. . Электрооптические явления в кристаллах//Успехи физических наук. – 1966. – Вып. 88 №2. – С. 253-286.
3. L. Jin, K. Nara, K. Takizawa, and E. Kondoh, Extraction of polarization properties of the individual components of a layered system by using spectroscopic Mueller matrix analysis// Jap. J. Appl. Phys. 54. 078003 (2015).
4. , Методы модуляции и сканирования света//Наука.- 1970. – С. 295.
5. Kazuya Yonekura, Lianhua Jin, Kuniharu Takizawa Measurement of wavelength dependence of electro-optic coefficients r22 of non-doped and 5% MgO-doped Congruent LiNbO3 crystals and 1.8% MgO-doped quasi-stoichiometric LiNbO3 crystal by Multiple Reflection Interference Method// OPTICAL REVIEW.– 2007.–Вып. 14 №4.–С. 194-200
6. Turner E. U. The Laser Literature: An Annotated Guide// Appl. Phys. Lett., - 1966. – Вып. 8. – С.303
