Векторные взаимодействия световых волн при фотоиндуцированном рассеянии света в кристаллах ниобата лития (стр. 3 )

Во введении обоснованы актуальность и практическая значимость работы, определена цель диссертации, кратко изложено содержание работы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена обзору литературы по экспериментальным и теоретическим исследованиям фоторефрактивного эффекта и сопутствующих явлений. Рассматриваются и сравниваются различные модели фотоиндуцированного рассеяния света в сегнетоэлектрических кристаллах, дается классификация видов рассеяния. Рассмотрены различные модели, закономерности и механизмы фотовольтаического и фоторефрактивного эффектов. Описаны особенности взаимодействия когерентного излучения с периодическими доменными структурами в сегнетоэлектриках. Приводятся данные по исследованию формирования решеток квадратичной нелинейности в центросимметричных средах и фотоиндуцированной генерации второй оптической гармоники в объемных средах и волноводах. Дан обзор литературы по актуальным проблемам, касающимся тематики последующих глав.

Во второй главе приведены экспериментальные результаты исследования особенностей фотовольтаического эффекта (ФВЭ) в кристаллах ниобата лития, а также оптически наведенных дефектов, возникающих в легированных кристаллах ниобата лития за счет ФВЭ.

Поляризация тестирующего луча	Угол анализатора
90о	45о	0о
90о
45о
0о

В параграфе 2.1. излагаются результаты исследования дефектов, возникающих в кристаллах ниобата лития под действием оптического излучения. Рассматриваются особенности светопропускания наведенных дефектов, анализируются поляризационные характеристики излучения, прошедшего через оптически поврежденную область.

Рассматриваются закономерности формирования изображения дефекта в зависимости от поляризации наводящего и сканирующего излучения, а также от ориентации оптической оси кристалла. Указывается на особенности светопропускания приграничной области дефекта. В таблице 1 показаны изображения дефекта, наведенного в кристалле LiNbO3:Fe в зависимости от поляризации тестирующего излучения и ориентации плоскости пропускания анализатора, расположенного после кристалла. Оптическая ось z кристалла направлена вертикально. Углы в таблице отсчитываются от оси z. При значении обоих углов, равном  45 °, поляризатор и анализатор скрещены.

В параграфе 2.2. рассматриваются методики наблюдения коноскопических фигур нетрадиционного типа в одноосных кристаллах. Указанные фигуры представляют собой чередующиеся темные и светлые полосы, перпендикулярные оптической оси кристалла. Подобная форма фигур обусловлена особыми условиями наблюдения – в эксперименте используются широкие пучки с малой расходимостью. В параграфе обсуждаются возможности применения нетрадиционных коноскопических фигур для исследования оптических неоднородностей в кристаллах, в частности, для наблюдения оптически наведенных дефектов в фоторефрактивных кристаллах. 

В параграфе 2.3. приводятся результаты численных расчетов спектров пропускания системы поляризатор-кристалл-анализатор. В данных расчетах рассматривается одноосный непоглощающий, оптически однородный кристалл в виде пластинки с оптической осью параллельной входной грани кристалла. При определенных положениях оптической оси кристалла относительно плоскостей пропускания поляризатора и анализатора можно получать сплошной либо линейчатый спектр для прошедшего излучения, либо их наложение. В параграфе делается вывод, что, изменяя ориентацию оптической оси кристалла относительно поляризатора и анализатора, можно управлять спектром излучения, прошедшего указанную систему. 

В параграфе 2.4. приводятся результаты исследования поляризационной характеристики коэффициента поглощения кристаллов ниобата лития с различными легирующими примесями в видимой области спектра. Отмечается, что следует учитывать анизотропию коэффициента поглощения легированных кристаллов ниобата лития при проведении экспериментов по изучению характеристик фотовольтаического отклика. В данном параграфе приведены спектры пропускания кристаллов ниобата лития с различными легирующими примесями, а также рассчитанные по ним спектральные зависимости коэффициента поглощения кристаллов ниобата лития. Спектры пропускания снимались для световых волн обыкновенной и необыкновенной поляризации. На рис. 1 представлены полученные спектры пропускания для кристалла LiNbO3:Rh. Как видно из рисунка, коэффициент пропускания различается для света, необыкновенной поляризации (е-луч) и обыкновенной поляризации (о-луч). Таким образом, можно заключить, что в легированных кристаллах ниобата лития имеется анизотропия поглощения. Причем нами экспериментально установлено, что на длине волны He-Ne лазера 0,6328 мкм анизотропия поглощения в кристаллах LiNbO3:Fe и LiNbO3:Rh различается как по величине, так и по знаку.

В параграфе 2.5. приводятся данные исследований фотовольтаического отклика в легированных и нелегированных кристаллах ниобата лития. Получены зависимости фотонапряжения от времени для кристаллов ниобата лития легированных Fe (0,05÷0,3% вес.) и Ru (0,3% вес.) с использованием некогерентного широкополосного излучения. В качестве источника излучения использовалась лампа накаливания. Пучок света направлялся перпендикулярно полярной оси кристалла. Напряжение снималось с серебряных электродов, напыленных на грани кристалла, перпендикулярные его полярной оси. Приведены спектральные характеристики ФВЭ. Зависимость фотонапряжения от времени с некогерентным источником света идентична зависимости для когерентного источника (лазера). Фотовольтаический эффект наиболее заметен при длинах волн, соответствующих линиям примесного поглощения, что соответствует литературным данным [1]. В параграфе рассматриваются особенности фотовольтаического эффекта в номинально чистых кристаллах ниобата лития. Приводятся временные характеристики фотонапряжения в зависимости от направления вектора Е по отношению к полярной оси кристалла Ps и предыстории образцов. Обсуждается вопрос о влиянии электрических полей на фотовольтаический эффект. Показано, что предварительно наведенные электрические поля изменяют зависимость напряжения от времени при последующем облучении кристалла. Первоначально происходит компенсация предварительно наведенного электрического поля, а затем  плавный рост напряжения до насыщения.

В третьей главе приводятся результаты экспериментального исследования картин фотоиндуцированного рассеяния света в легированных и нелегированных кристаллах ниобата лития. Рассматриваются особенности ФИРС, возникающего при использовании коротковолновой накачки (излучение гелий-кадмиевого и аргонового лазеров), и ФИРС в случае накачки излучением гелий-неонового лазера. Анализируются и классифицируются наблюдаемые типы ФИРС.

В параграфе 3.1 приводятся результаты экспериментального исследования пространственной структуры и кинетики ФИРС при облучении кристаллов ниобата лития коротковолновым излучением гелий-кадмиевого и аргонового лазеров. Описываются наблюдаемые картины рассеяния. При различных условиях эксперимента наблюдались различные виды ФИРС. В частности, были изучены некоторые разновидности фотодисперсионного и бирефрактивного рассеяния света.

В чистых, а также в легированных железом кристаллах ниобата лития, наблюдалось селективное по углу фотоиндуцированное рассеяние света автоволнового типа. Кристаллы представляют собой пластинки z-среза. В качестве накачки применялось излучение гелий-кадмиевого лазера (длина волны 0,44 мкм, мощность 50 мВт). Автоволны в данном случае проявляются в виде конусов рассеяния (на экране – колец), число и угловой размер которых периодически изменяется. Данный вид рассеяния наблюдается как в направлении прошедших, так и в направлении отраженных лучей, при различной ориентации пучка накачки относительно оптической оси кристалла.

В параграфе 3.2 представлены данные исследования особенностей ФИРС в легированных кристаллах ниобата лития при использовании гелий-неонового лазера. Следует отметить, что длинноволновое излучение данных лазеров (длина волны 0, 6328 мкм) достаточно слабо поглощается в кристаллах, что уменьшает влияние на процесс ФИРС тепловых эффектов. В параграфе представлены результаты исследования фотоиндуцированного рассеяния в направлении прошедших лучей (прямого рассеяния) для кристаллов ниобата лития с добавками Fe (0,03%; 0,05 % вес.), Rh (0,01 % вес.), Ru (0,05 % вес.), Cu (0,01 % вес.) Fe (0,3 % вес.) + Rh (0,01 % вес.), Fe (0,3 % вес.) + Cu (0,01 % вес.). Кристаллы представляют собой плоскопараллельные пластинки х-срезов толщиной 1÷2 мм. Описана экспериментальная установка, применявшаяся для исследования ФИРС. В кристаллах LiNbO3:Fe+Rh, LiNbO3:Fe+Cu и LiNbO3:Ru рассеяние слабо выражено. В кристаллах LiNbO3:Fe и LiNbO3:Rh ФИРС наиболее сильно проявляется, когда накачка поляризована в плоскости, содержащей оптическую ось кристалла. В кристалле LiNbO3:Fe, рассеяние образует на экране световое пятно, имеющее хорошо различимую глазом спекл-структуру. Для кристалла LiNbO3:Rh, картина ФИРС представлена на рис. 2. Ближе к центральному пятну расположены области с ярким широкоугловым рассеянием. Характерной особенностью этого рассеяния является отсутствие  спекл-структуры. Это может быть объяснено следующим образом. Формируемые в области освещения кристалла электрические поля весьма велики (104÷105 В/см) и неоднородны. Это приводит к возникновению объемных и поверхностных микропробоев и скачкообразному изменению диэлектрической проницаемости среды [6]. В результате соотношения между фазами волн рассеянного света хаотически меняется, и это обуславливает уменьшение контрастности спекл-структуры. На рис. 3 приведена кинетика угла раскрытия Ф широкоуглового рассеяния в направлении прошедших лучей в кристалле LiNbO3:Rh.