Векторные взаимодействия световых волн при фотоиндуцированном рассеянии света в кристаллах ниобата лития (стр. 1 )

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

 

Официальные оппоненты:  заслуженный деятель науки РФ,

  доктор физико-математических наук,

  профессор

 

  доктор физико-математических наук,

  профессор

 

  доктор физико-математических наук,

  профессор

 

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»

Хабаровск, 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 

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 Δn, 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.