Векторные взаимодействия световых волн при фотоиндуцированном рассеянии света в кристаллах ниобата лития (стр. 2 )

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:

Выявление особенностей формирования изображения оптически индуцированных дефектов в кристаллах ниобата лития, а также определение поляризационных характеристик излучения, прошедшего через область с оптическим повреждением. 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. 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. Исследование процесса нестационарного энергообмена при векторном взаимодействии между рассеянным светом и накачкой в легированных кристаллах ниобата лития для различных интенсивностей пучка накачки. Определение фотопроводимости легированных кристаллов ниобата лития путем анализа временных характеристик интенсивности фотоиндуцированного рассеяния. 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. 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. Выявление закономерностей формирования индикатрисы широкоуглового ФИРС в кристаллах ниобата лития. Экспериментальное исследование особенностей пространственной структуры селективного по углу ФИРС в легированных кристаллах ниобата лития. 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. Решение задачи о нахождении поля второй оптической гармоники, генерируемой в среде с записанной χ(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 χ(2)-решетке применялся аналитический метод решения системы нелинейных дифференциальных уравнений с разделяющимися переменными.

Научная новизна работы

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. 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.  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. Предложены цифровые методы анализа диффузных изображений, позволяющие упростить изучение пространственной структуры ФИРС. Построены индикатрисы ФИРС; выявлены закономерности угловой зависимости коэффициента преобразования ФИРС. 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. Проведено экспериментальное изучение кинетики интенсивности ФИРС в кристаллах LiNbO3:Fe и LiNbO3:Rh при интенсивности пучка накачки, изменяющейся в диапазоне 1ч7 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. 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 «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:

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

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.  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.  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. 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.  Объяснена природа пространственных осцилляций интенсивности второй гармоники, генерируемой в среде с пространственно модулированной квадратичной нелинейностью при выполнении условий фазового квазисинхронизма.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ