Нелинейное преобразование широкополосного оптического излучения в двуосных кристаллах класса mm2 тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

РГБ ОД 3 О МАЙ 2003

На правах рукописи

Коростелева Ирина Александровна

НЕЛИНЕЙНОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ШИРОКОПОЛОСНОГО ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ДВУОСНЫХ КРИСТАЛЛАХ КЛАССА тт2

01.04.05 — Оптика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Хабаровск 2000

На правах рукописи

Коростелева Ирина Александровна

НЕЛИНЕЙНОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ШИРОКОПОЛОСНОГО ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ДВУОСНЫХ КРИСТАЛЛАХ КЛАССА тт2

01.04.05 — Оптика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Хабаровск 2000

Работа выполнена в Дальневосточном государственном университете путей сообщения

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, ■ профессор А.И.Илларионов

Консультанты: кандидат физико-математических наук,

доцент Н.А.Дейнекина; кандидат физико-математических наук, профессор М.Р.Прокопович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Р. И. Соколовский; кандидат физико-математических наук, доцент Н.А.Калугина

. Ведущая организация — Хабаровский государственный педагогический университет

Защита состоится июня 2000 года в часов на заседании диссертационного совета К 114. 12. 01 по адресу: г. Хабаровск, ул. Серышева, 47, Дальневосточный государственный университет путей сообщения, ауд. 204

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Дальневосточного государственного университета путей сообщения

Автореферат разослан мая 2000 г.

---------Ученый секретарь диссертационного

совета К 114. 12. 01, кандидат технических наук, доцент /С^/с

Т.Н.Шабалина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность; темы „ ,

Современная,-прикладная нелинейная оптика вышла.на качественно новый уровень своего развития. С одной стороны, .пррдолжается интенсивное исследование новых нелинейных материалов, в частности, органических, с другой:—.значительно сузился круг нелинейных кристаллов, постоянно используемых в конкретных условиях для преобразования частоты. , ■ - .-,.■, ■

Многие физические явления характерны толькОг.для анизотропных сред. Это — двойное лучепреломление, прямой и обратный пьезоэлектрические эффекты, электрооптический эффект, генерация .оптических гармоник и др. Такие явления как электропроводность, упругость и др. наблюдаются как в анизотропных кристаллах, так и в изотропных средах, но для анизотропных кристаллов эти явления имеют ряд особенностей, важных для практического применения.

Для определения пригодности нелинейных кристаллов в качестве преобразователей частоты необходимо, чтобы они удовлетворяли следующим основным требованиям:

1. величина нелинейности в них должна быть как можно более высокой;

2. должен существовать фазовый синхронизм для определенных типов взаимодействий;

3. должны быть прозрачными для всех взаимодействующих частот;

4. должны быть хорошего оптического качества и достаточно больших размеров;

5. должны обладать высокой радиационной стойкостью;

6. должны быть легко обрабатываемыми механически.

Если в кристалле выполняются условия волнового синхронизма, то кристалл может служить эффективным преобразователем света одной частоты в свет с удвоенной частотой, а также с суммарными и разностными частотами взаимодействующих волн. В некоторых кристаллах удается наблюдать генерацию третьей, четвертой и пятой гармоник.

Перспективными материалами для нелинейной оптики с точки зрения реализации более разнообразных направлений синхронных взаимодействий являются двуосные кристаллы. Они обладают высокими компонентами нелинейной восприимчивости, многие из них легко выращиваются, режутся, не являются гигроскопичными и др. К тому же ряд из них позволяет реализовать одновременно несколько типов нелинейных взаимодействий световых¿врда^Отмеченные особенности двуосных нелинейных кристаллов позволяют предложить их в качестве элементов оптической памяти, нелинейных оптических логических элементов вычислительных машин и др. '- - ' •

Широкое применение нелинейные кристаллы нашли в приборах, используемых для визуализации инфракрасного (ИК) излучения. Это связано с тем, что возникают большие технические трудности при использовании в качестве преобразователей газообразных сред и при глубоком охлаждении фотоприемников, особенно для среднего и дальнего инфракрасных диапазонов спектра. Для сохранения наиболее полной информации об ИК объекте необходимо преобразовать достаточно широкий спектр идущего от объекта теплового излучения в видимую область, для которой существуют детекторы излучения с достаточно хорошими техническими характеристиками. Это возможно при использовании для преобразования ИК излучения в нелинейном кристалле тепловой широкополосной накачки. Такие преобразования можно использовать для создания нелинейных радиометров, тепловизоров и других нелинейно-оптических приборов.

Все вышесказанное побуждает к исследованию новых кристаллов с целью выявления их свойств, пригодных для преобразования теплового излучения в видимую область спектра.

■ Кроме того, современная кристаллооптика нуждается в-методиках, позволяющих выбрать из всего многообразия существующих нелинейных кристаллов наиболее эффективные для каждой конкретной цели.

До постановки настоящих исследований авторами других работ были разработаны методики расчета направлений, коллинеарного [1] и не-коллинеарного [2] синхронизма и коэффициента эффективной нелинейности de/f в случае выполнения условий коллинеарного синхронизма для второй гармоники в двуосных кристаллах [3-5]. В работе [6] приведена только схема вычисления cU для случая коллинеарного синхронизма при генерации суммарных частот в двуосных кристаллах. Результаты проведенных нами предварительных экспериментов показали, что эффективность преобразования широкополосного теплового излучения по спектру в пространственных направлениях в некоторых случаях выше, чем в кри-сталлофизических плоскостях. Необходимо отметить, что процессы преобразования по частоте ИК излучения в анизотропных кристаллах являются наименее изученными, хотя данная область исследований является перспективной с точки зрения создания инфракрасных приборов на новой основе. Данное обстоятельство обусловило необходимость создания математической модели для определения наиболее эффективных направлений синхронных взаимодействий световых волн в случае преобразования широкополосного теплового излучения в двулучепреломляющих кристаллах.

Все вышеотмеченное позволяет заключить, что задача исследования процессов преобразования широкополосного теплового излучения по частоте в анизотропных кристаллах является актуальной, имеющей важное прикладное значение. " ~ "

Следуя методике, описанной в работе [7], для проведения исследований были выбраны наиболее "популярные" и имеющие достаточно высо-

4

кие нелинейно-оптические восприимчивости второго порядка бинарные (ниобат калия КМЬ03 и формиат лития иС00Н-Н20) и тернарные (тита-нил-фосфат калия КТЮР04 и ниобат бария-натрия Ва2ЫаЫЬ5015) оксидные двуосные кристаллы. Выбор данных кристаллов обусловлен следующими факторами:

1. все эти кристаллы имеют одинаковую элементарную ячейку, принадлежат к одному и тому же классу симметрии тт2, что позволит набрать необходимую информацию на основании единой математической модели и сравнить полученные результаты;

2. имеется достаточное количество экспериментальных данных, полученных другими авторами, что позволяет сравнивать результаты приведенных в диссертации теоретических расчетов с экспериментальными и предсказать новые результаты.

Цель и задачи работы

Основной целью работы является исследование закономерностей нелинейного преобразования широкополосного оптического излучения в двуосных кристаллах класса тш2 на основе коллинеарных и векторных взаимодействий световых волн. Для достижения указанной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. детально проанализировать физические и нелинейно-оптические свойства двуосных кристаллов класса тт2;

2. разработать и апробировать методики расчета пространственных направлений коллинеарного и векторного синхронизмов;

3. определить направления наиболее эффективного преобразования теплового ИК излучения в видимую область спектра в двуосных кристаллах класса тт2;

4. провести экспериментальные исследования коллинеарных и векторных взаимодействий в кристаллах ИС00Н-Н20 и КТЮР04.

Научная новизна работы

1. Впервые предложена и апробирована методика определения про-ггранственных коллинеарных взаимодействий в двуосных кристаллах.

2. Впервые проведено детальное исследование пространственных юллинеарных взаимодействий в двуосных кристаллах.

3. Впервые определены с1еМ и параметры качества выбранных двуос-

<ых кристаллов, что позволяет определить для них наиболее эффектив-|ые направления пространственного преобразования.

4. Впервые предложена и апробирована методика определения про-транственных векторных взаимодействий в двуосных кристаллах.

5. Впервые экспериментально исследована эволюция "колец" векторного синхронизма в кристаллах формиата лития и титанил-фосфата калия.

Научная и практическая значимость

1. Получена новая научная информация о взаимодействии широкополосного теплового излучения с анизотропными кристаллами, г . 2. Представленная методика теоретических расчетов пространственных направлений коллинеарного и векторного синхронизмов, коэффициентов эффективной нелинейности и'параметров качества позволяет предсказывать нелинейные эффекты для любого представителя класса симметрии mm2.

3. Полученные в диссертационной работе результаты теоретических расчетов и экспериментальных исследований могут служить базой для создания инфракрасных приборов на принципиально новой основе.

Апробация результатов

Материалы, изложенные в диссертации, докладывались и обсуждались на научных семинарах и конференциях:

1. на научно-технической конференции "Повышение эффективности работы железнодорожного транспорта Дальневосточного региона" (Хабаровск, 1995 г.);

2. на II Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта" (Москва, 1996 г.);

3. на XI Международной Вавиловской конференции по нелинейной оптике (Новосибирск, 1997г.);

А. на Международной конференции молодых учёных Сибири, Дальнего Востока и стран АТР "Молодежь и наука — регионам" (Хабаровск, 1997 г.);

•5. на II Международной конференции "Проблемы транспорта Дальнего Востока" (Владивосток, 1997 г.);

6. на семинарах федеральной школы-семинара "Люминесценция и сопутствующие явления" (Иркутск, 1997г.)

7. на IV и V Всероссийской школе-семинаре "Люминесценция и сопутствующие явления" (Иркутск,'1998 и 1999 г.);

8. на Международном симпозиуме "Принципы И процессы создания неорганических материалов" (Первые Самсоновские чтения) (Хабаровск, 1998 г.);

9. на XVI Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике "ICONO'98" (Москва, 1998 г.); . —: _____

----10. на-Международной конференции молодых^ученых и специалистов

"Оптика - 99" (Санкт-Петербург, 1999 г.);

11. на XXXXII Всероссийской межвузовской научно-технической конференции (Владивосток, 1999 г.).

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 114 наименований. Общий объем работы составляет 125 страниц, включая 53 рисунка. .

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Математическая модель, основанная на зависимостях показателя преломления нелинейных кристаллов от длины световой волны й наведенной поляризации от векторов электрической,напряженности взаимодействующих волн, позволяет рассчитать для преобразования широкого спектра частот направления коллинеарного и векторного синхронизмов в пространстве и в главных плоскостях, эффективные нелинейности, ^параметр качества, а также другие нелинейно-оптические характеристики дву-осных кристаллов, принадлежащих классу симметрии тт2.

2. Нелинейно-оптические свойства двуосных кристаллов класса тт2 варьируются в широких пределах в зависимости от геометрии кристаллического оптического элемента, типа'взаимодействия световых волн,, ширины спектра преобразуемого излучения, что дает возможность управлять параметрами нелинейных преобразователей частоты, создаваемых на их основе,

3. Использование широкополосного теплового излучения в качестве накачки для преобразования ИК спектра частот в видимую область спектра позволяет одновременно реализовать в одном направлении двуосного кристалла класса тт2 несколько типов синхронных векторных и коллине-арных взаимодействий из большой совокупности участвующих в преобразовании световых волн, соответствующих определенному цвету преобразованного излучения, что приводит к значительному увеличению его интенсивности.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во ввёденйи обоснованы актуальность и практическая значимость работы, определена цель диссертации, кратко изложено содержание работы, сформулированы защищаемые положения.

В первой главе дан достаточно подробный обзор физических и нелинейно-оптических свойств ряда двуосных кристаллов одной и той же точечной группы симметрии тт2: титанил-фосфата калия КТЮРОд, ниобата калия КЫЬ03, ниобата бария-натрия Ваг^а^О« и формиата лития иС00Н-Н20. Особое внимание в главе уделено эффектам, связанным со взаимодействием оптического излучения с указанными кристаллами.

Во второй главе рассмотрены коллинеарные взаимодействия оптического излучения в выбранных кристаллах.

В параграфе 2.1. приводится обзор используемых методик определения направлений коллинеарного (синхр,он^13ма..,Отмечено, что обычно все расчеты производятся для направлений, лежащих в главных плоскостях, • при выполнении условий фазового синхронизма для второй гармоники.

Здесь же описывается разработанная нами методика определения направлений коллинеарного синхронизма в плоскостях, , не являющихся главными, то есть в пространстве, для преобразования широкополосного теплового излучения 0,8...2,8 мкм в видимую область спектра 0,4...0,7 мкм. Представляемая методика основана на дисперсионных зависимостях показателей преломления двуосных кристаллов класса тт2 и на законах сохранения энергии и импульса для взаимодействующих волн.

В параграфе 2.2. приведены результаты расчетов пространственных направлений коллинеарного синхронизма. Оказалось, что во всех случаях реализуются два типа взаимодействия оо->е и ое-^е. Анализ полученных перестроечных кривых показал, что для кристалла КТЮР04 при изменении плоскости наблюдения коллинеарного синхронизма к плоскости, отличающейся от главных плоскостей, угрл фазового синхронизма вс меняется не- " значительно (« 10° при изменении <рс от 0° до 90ь).

Для кристалла Ва2№МЬ5015 при изменении плоскости наблюдения угол фазового синхронизма 9С остается практически постоянным.

Для кристалла К1МЮ3 изменение угла фазового синхронизма при изменении плоскости наблюдения значительно больше, чем для КТЮР04 и достигает 20°-н25°.

Для кристалла иС00НН20 при изменении плоскости наблюдения в области углов срс= 60°-ь70° наблюдается аномалия: при одной и той же накачке (¿,=1,1 мкм) для длин волн преобразуемого излучения А,, попадающих в полосу поглощения (>1,2 мкм), происходят резкие изменения угла синхронизма (рис.1). Расчеты дисперсионных зависимостей главных значений показателя преломления на соответствующих кристаллофизиче-ских осях, выполненные на основании формул Селмейера, выявили резкий скачок показателей преломления на длине волны 0,4 мкм: «тдостиг значения 1,897912, ^ —3,619234, и,—10,9649.

Расчеты пространственных направлений коллинеарного синхронизма для кристаллов КТЮР04, КИЬ03 и"Ва2№ЫЬ5015 показали, что таких аномалий, как для кристалла иС00НН20, не наблюдается.

Проведенный анализ полученных зависимостей угла 9С от длины вол-----ны -преобразуемого излучения для-различных длин волн накачки Я,"

(параграф 2.3) показал, что, для кристаллов КТЮР04, КГ\1Ь03 и Ва2Ыа№5015 коллинеарное преобразование взаимодействующих волн-

возможно во всем объеме кристалла. В кристалле иС00Н'Н20 при взаимодействии ое->е —также во всем объеме кристалла, а при взаимодействии оо->е накладывается ограничение по углу <рстах (максимальном угле <рс, при котором возможен синхронизм): при Я,= 0,8 мкм <рс должен лежать в пределах от 28° до 62°, при Л,= 1,1 мкм — <рспшх от 26° до 59°, при Л,= 1,3 мкм — <ретаг от 29° до 54°. Таким образом, с увеличением длины накачки Я, угол фСта уменьшается,.то есть уменьшается область, в которой возможно коллинеарное преобразование волн.

-------.---.----►фс,°

О 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Рис. 1. Направления коллинеарного синхронизма в кристалле формиата лития (1-, = 1,1 мкм). Взаимодействия: оо-^е (1-4), ое->е (5,6); к2, мкм = 0,9 (1), 1,0 (2), 1,2 (3,5), 1,4 (4,6); Х3, мкм = 0,495 (1), 0,524 (2), 0,574 (3,5), 0,616 (4,6) '

Угловой диапазон Авс для кристалла иС00НН20 уменьшается от плоскости Х2 к плоскости уг, от плоскости у2 к плоскости ху. Для углов вс больше 62° (взаимодействие оо->е) и больше 65° (взаимодействие ое-»е) происходит поворот кривых зависимости угла 9С от длины волны преобразуемого излучения А,.

Для кристалла КТЮРО4 угловой диапазон Авс уменьшается от плоскости хг к плоскости уг, от плоскости ху к плоскости уг. При изменении накачки на 1 мкм (от 0,8 мкм до 1,8 мкм и от 1,8 мкм до"2,8 мкм) при взаимодействии оо->е угол вс смещается примерно на 10° к плоскости ху. Также

9

на графиках зависимости 6>( от Л2 кристалла КТЮР04 при взаимодействии 00->е и, в большей степени, ое-»е виден "перескок" кривых данных зависимостей при накачке Л,= 2,8 мкм через, кривые с накачкой Л,= 1,8 мш (взаимодействие оо-»е) и через кривые с накачкой Л,= 0,8 мкм и Л,- 1,8 мкм (взаимодействие ое-»е).

Для кристалла KNb03 угловой диапазон Авс уменьшается от плоскости xz к плоскости yz, от плоскости ху к плоскости yz.

Для кристалла Ba2NaNb5015 ширина углового диапазона Авсот плоскости xz к плоскости yz остается практически постоянной (но происходит смещение его границ) и уменьшается от плоскости ху к плоскости yz.

В параграфе 2.4. приводятся результаты' расчетов одного из основных параметров нелинейного преобразования частоты — угла сноса лучевого и волнового векторов — для наиболее эффективного кристалла KNb03. Рассчитанные значения углов сноса позволяют предположить, что величина перетяжки взаимодействующих пучков света должна составлять 0,5-н0,7 мм длины кристалла в 1 см. *

Исследование спектров преобразованного ИК излучения в кристаллах класса симметрии mm2 показали большие возможности в варьировании различных параметров преобразования в двуосных кристаллах по сравнению с одноосными.

Расчет нелинейных характеристик: показателей преломления, направлений оптических осей, углов коллинеарного и векторного синхронизма, эффективностей преобразования, параметров качества и т. д. — очень трудоемок, поэтому выполнен при помощи ЭВМ на базе процессора "Intel Celeron 333".

Третья глава посвящена определению направлений-наиболее эффективного преобразования оптического излучения.

Преобразование, частоты в нелинейном кристалле определяется коэффициентом эффективной нелинейной восприимчивости deff, который зависит от прляризации взаимодействующих волн и направления их распространения в кристалле.

В параграфе 3.1. приводится разработанная методика расчетов эффективной нелинейности в пространстве при выполнений условий коллинеарного синхронизма для взаимодействующих световых волн широкого спектра. -

Необходимым и достаточным условием эффективного трехчастотного взаимодействия является сочетание ненулевой квадратичной нелинейности опуически прозрачного кристалла с наличием фазового синхронизма. На практике вместо тензора квадратичной нелинейности ywi используют тензор cL, причем оба тензора связан^ соотношением = 2d„ •

В уравнениях для расчета deff использовались коэффициенты эффективной нелинейности dä, содержащие все операции суммирования по на-

10

правлениям поляризаций взаимодействующих волн. Для точечной группы симметрии mm2, к которой принадлежат рассматриваемые кристалл^ (KTi0P04,KNb03,Ba2NaNb50i5,UC00H-H20), имеется три независимых нелинейных коэффициента d31, d32 и d33. Величины коэффициентов d. задавались относительно коэффициента d3s KDP.

Результаты расчетов (параграф 3.2) показали, что эффективность преобразования широкополосного теплового излучения благодаря реализации большой совокупности взаимодействий световых волн разных частот для одного и того же значения длины Х3 световой волны преобразованного излучения может быть сравнима с эффективностью преобразования для получения световой волны этой же длины Я3 при лазерной накачке.

Как показали расчеты, эффективная квадратичная восприимчивость deя у кристалла КТЮР04 при изменении угла <рс от 0° до 90° изменяется весьма незначительно и максимальна в плоскости xz. У кристалла KNb03 эффективная квадратичная восприимчивость deff также незначительно меняется при изменении угла <ре от 0° до 90°, но максимум приходится на плоскость yz.-У кристаллаИС00Н Н20 эффективная квадратичная восприимчивость d,,ff минимальна в плоскости xz и максимальна для углов <рс, превышающих 20°, в зависимости от накачки и типа взаимодействия. Расчеты показали, что существуют такие направления в кристалле формиата лития, для которых deff = 0 (например, при взаимодействии о.е-?е для взаи-модействуюицихволн X, = 1 мкм, Л, =1,4 мкм при угле срс = 70°). У кристалла Ba2NaNb50i5 эффективная квадратичная восприимчивость deff не зависит от угла <рс и одинакова во всех направлениях.

Параграф 3.3 посвящен определению параметров качества и их оценке для выбранных кристаллов класса mm2. Эффективность использования кристаллов в нелинейных процессах характеризуется коэффициентом, установленным Понтером, который определяется показателем преломления

и коэффициентом нелинейной восприимчивости /? = —г (параметр качества кристаллов).

Результаты расчетов параметров качества исследуемых кристаллов подтвердили правильность выводов относительно, наиболее эффективных направлений коллинеарного синхронизма.

В четвертой главе рассмотрены векторные взаимодействия в исследуемых кристаллах.

В 4.1. подробно описана методика определения пространственных направлений векторного синхронизма в двуосных кристаллах.

В результате расчетов получены массивы точек, определяющих данные направления, Проведенные по данной методике расчеты векторного синхронизма в выбранных двуосных кристаллах класса mm2 показали, что в них возможно реализовать два взаимодействия первого и че-

11

тыре взаимодействия второгр;типа. Полученные результаты согласуются с литературными данными.

В параграфе 4.2. приведены результаты экспериментальных исследований генерации второй гармоники (частному случаю смешения частот) в кристалле формиата лития, которые подтвердили правильность расчета и выбора оптимальных направлений в данном кристалле.

Для различных кристаллов из класса тт2 показатели преломления и их дисперсия сильно различаются даже для одной длины волны. Зто приводит к отличию в реализации различных типов взаимодействий и направлений синхронизма световых волн в выбранных кристаллах. К тому же, величины компонент тензора нелинейной восприимчивости для различных представителей кристаллов класса тт2 сильно различаются, что вносит значительное своеобразие в протекание нелинейных процессов в данных средах.

Одним из наиболее необычных и интересных с научной точки зрения представителей класса тт2 является кристалл формиата лития.

Для кристалла формиата лития с!31 = с/,5« 0,3; б32 = с124 ~ 3,5; с133 ~ 5,1 (в единицах нелинейной восприимчивости с/36 кристалла КОР). В случае использования среза кристалла, для которого падающее излучение распространяется вблизи кристаллофизической оси X, наблюдаются следующие взаимодействия при выполнении условий векторного синхронизма:

•— в плоскости ху взаимодействие оо->е, для которого компонента тензора нелинейной восприимчивости должна быть равна нулю. Девяностоградусный синхронизм для этого взаимодействия наблюдается для Я = 649 нм. (излучение распространяется вдоль оси X). Взаимодействие оо->е возможно для световых волн с Я < 649 нм, в том числе и для излучения Не-№ лазера сЛ = 632,8 нм;

— в плоскости ху взаимодействие ое-»е, обеспеченное наличием компоненты нелинейной восприимчивости с124. Девяностоградусный синхронизм (лучи распространяются вдоль оси X) соответствует X = 975 нм. Взаимодействие возможно для Я < 975 нм;

—"в плоскости хг взаимодействие ое-ю обеспечено наличием компоненты б24- Девяностоградусный синхронизм для Я = 975 нм (лучи распространяются вдоль оси X). Взаимодействие возможно для Я > 975 нм;

— в плоскости уг гармоники не генерируются:

Видно, что длина волны 975 нм является своеобразной поворотной точкой. Для Я < 975 нм реализуется взаимодействие ое-»е в плоскости ху, а для Я > 975 нм - взаимодействие ое->о в плоскости хг. Переход осуществляется через'ось X из плоскости ху в плоскость хг. Данные типы взаимодействий удобны тем, что могут быть реализованы на одном срезе нелинейного кристалла за счет углового поворота кристалла. На таком кристалле может быть реализован нелинейный спектрометр несколько

необычной конструкции, когда разные участки спектра находятся во взаимно ортогональных плоскостях.

Экспериментальные исследования были проведены на установке, содержащей гелий-неоновый лазер (Я = 0,6328 мкм) с максимальной мощностью излучения 9 мВт. В некоторых случаях использовалось излучение от обычных ламп накаливания. Модулятор прерывал излучение с частотой 80 Гц; излучение фокусировалось в кристалл линзой с фокусным расстоянием 98 мм. Кристалл находился между "скрещенными" светофильтрами.

В эксперименте использовались кристаллы формиата лития, выращенные в НПФ СОАН в 1995 г., в которых также наблюдалась гармоника для взаимодействия оо-»е (плоскость ху), хотя этот тип взаимодействия не обеспечен компонентами тензора нелинейной восприимчивости. Двойной угол (вне кристалла) равен 2а = 25,1°, что соответствует углу синхронизма вс = 81,8°. Расчет по приведенной методике дает значение вс = 80°51'.

Помимо запрещенных компонент <1Ь в кристаллах формиата лития существует ряд характерных особенностей в векторных взаимодействиях световых волн. В параграфе 4.3. рассмотрены данные особенности в кристалле формиата лития в плоскости хг и ближайших ее окрестностях для взаимодействий ое-»о, ео-»о, ео-»е и ое->е."

Экспериментальные исследования выполнялись с плоскопараллельными пластинками формиата лития с оптической осью, перпендикулярной входной поверхности пластинки. Толщина кристалла равнялась 17 мм. Использовалось излучение лазера ЛТИПЧ-4(Л.= 1,064 мкм). Кристалл помещался между скрещенными светофильтрами в специальную камеру, позволяющую проводить юстировки с точностью 1 минута.

На экране за нелинейным кристаллом формиата лития за счет векторных взаимодействий наблюдались два эллиптических "кольца" преобразованного во вторую гармонику излучения: ^Определено, что первое "кольцо" образовано падающим обыкновенным (о) и рассеянным необыкновенным (е) лучами (взаимодействие ое-ю); второе — падающим необыкновенным (е) и рассеянным обыкновенным (о) (взаимодействие ео-»о). Эволюция "колец" приведена на рис.2, где точка 1 соответствует второй гармонике для падающего излучения, возбужденной при нарушенных условиях синхронизма. Правая точка 1 на рис.2б и "окружности" 1 и 2 (рис.2в-^2е) соответствуют векторной гармонике (2т).

В параграфе 4.4. приведены результаты экспериментальных исследований векторных взаимодействий в кристалле титанил-фосфата калия. В эксперименте использовался кристалл, выращенный -в.; институте теплотехники СОАН А.Б.Каплуном. Кристалл вырезан для взаимодействия ое-^е, вс= 30° для Яг=1,064 мкм. В эксперименте использовали диафрагму с отверстием ~ 1-И,5 мм. Диаметр лазерного луча ~ 3 мм (лазер ЛТИ-502).

79 80 81 82 83 84 85 86 87 ■ 3

1 ^ ,1 , , ,

79 80.2 Я)''"' 82 83 84 85 86 87

б.

1

0,5 \£2/

79 80,5 Ч£2/ 83 84 85 86, 87 88

Рис. 2. Формирование "колец" векторных взаимодействий (2а>) в зависи-■ мости от угла падения он лазерного излучения на кристалл формиата лития. Лазерный луч падает в плоскости хг. Типы взаимодействий: 1 — ое-ю; 2 — ео-ю ~ ..... "

Кристалл КТР двуосный и одновременно может быть задействовано несколько типов взаимодействий. Для данного среза кристалла основным типом взаимодействия является ое->е. ■ ■ Л

Результаты проведенных экспериментов с различными нелинейными кристаллами класса mm2 показали хорошее соответствие с рассчитанными по разработанной в диссертационной работе методике.

Приложение. Анизотропные кристаллы при взаимодействии с широкополосным тепловым излучением и реальные оптические системы, используемые в экспериментах, в значительной степени усложняют фазовый фронт световых волн, что несомненно сказывается на процессах нелинейных преобразований частоты. В некоторых случаях, когда используется лазерное излучение либо мощное тепловое излучение, для исправления фазовых фронтов световых волн целесообразно применение методов обращения волнового фронта (ОВФ). В связи с чем, в приложении к диссертационной работе приводятся результаты исследования ОВФ при четы-рехволновом смешении непрерывного излучения в условиях сильной самодефокусировки, когда становятся существенными аберрации тепловой линзы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

_ Основные результаты диссертационной работы сводятся к следующим:

1. Предложена новая методша, позволяющая определить основные нелинейно-оптические параметры (пространственные направления колли-неарных и векторных синхронизмов, коэффициенты эффеетивной нелинейности, параметры качества, угловые и спектральные характеристики, углы сноса) двуосных кристаллов класса mm2, не прибегая к Прямому решению системы уравнений, вытекающих из волнового уравнения.

2. Рассчитаны величины основных нелинейно-оптических свойств двуосных кристаллов КТЮР04, KNb03, Ba2NaNb5015 и LiC00H<H20 для случая синхронного преобразования широкополосного излучения из области 0,8...2,8 мкм в видимую область спектра 0,4...0,7 мкм, что позволит определять оптимальные/еометрии данных кристаллов.

3. Обнаружены принципиальные отличия в процессах преобразования широкого ИК спектра частот в кристаллах-формиата лития по сравнению с другими кристаллами, состоящие в наличии предельного угла синхронизма срстаг в кристаллофизической плоскости ху и скачков кривых коллинеар-ного синхронизма в пространстве вблизи полосы поглощения 1,1... 1,3 мкм.

4. Теоретически показано и экспериментально подтверждено, что нелинейно-оптические свойства, кристаллов, класса mm2 определяются их геометрией, типом взаимодействия световых волн, шириной ИК спектра, что позволяет, изменяя эти величины, управлять параметрами нелинейных преобразователей частоты.

5. Показано, что одновременная реализация нескольких типов синхронных коллинеарных и векторных взаимодействий в одном направлении для определенной длины волны преобразованного излучения приводит к значительному увеличению его интенсивности.

6. Экспериментально рассмотрена и детально проанализирована эволюция колец векторных синхронных взаимодействий в кристаллах фор-миата лития и титанил-фосфата калия.

7. Обнаружено, что длина волны Я= 975 нм является своеобразной поворотной точкой, соответствующей переходу от взаимодействия ое->е (Л.<975 нм) к взаимодействию ое-»о (А>975 нм), что может быть использовано в качестве основы для создания нелинейного спектрометра принципиально новбй конструкции.

ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Hobden M.V. Phase-matched second-harmonic generation in biaxial crystals // Journal of Applied Physics. — 1967. — V.38. — No!l 1. — P.4365-4372.

2. Степанов Д.Ю., Шигорин В.Д., Шипуло Г.П. Направления фазового синхронизма при оптическом смешении в двуосных кристаллах с квадратичной восприимчивостью // Квантовая электроника. — 1984. — Т.11. — №10, —С. 1957-1964.

3. Ito Н., Naifo Н., Inaba Н. Generalized study on angular dependence of induced second-order nonlinear optica! polarizations and phase matching in biaxial crystals II Journal of Applied Physics. — 1975. — V.48. — No.9. — P.3992-3998.

4. Yao J.Q., Fahlen T.S. Calculations of optimum phase match parameters for the biaxial crystal KTi0P04 // Journal of Applied Physics. — 1984. — V.55. — No.1. — P.65-68.

5. Лавровская О.И., Павлова Н.И., Тарасов A.B. Генерация второй гармоники излучения лазера АИГ: Nd3+ в оптически двуосном кристалле КТЮР04 // Кристаллография. — 1986. — Т.31. — № 6. — С.1145-1151.

6. Диесперов К.В., Дмитриев В.Г. Вычисление коэффициента эффективной нелинейности при генерации суммарной частоты для коллинеарно-го синхронизма с учетом двулучепреломления в двуосных кристаллах // Квантовая электроника. — 1997. — Т.24. — № 5. — С.445-448.

7. Кидяров Б.И., Пестряков Е.В., Коростелева И.А. Модели поиска и классификации перспективных оксидных кристаллов // Препринт № 3. — Хабаровск: ДВГУПС, 1998. — 23 с.-—г------------------------ ------------------

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ

1. Коростелева И.А. Регистрация дефектов в1 нелинейных оптических кристаллах // Повышение эффективности работы железнодорожного транспорта Дальневосточного региона: Тезисы докладов научно-технической конференции. —Хабаровск: ДВГАПС, 1995. — С. 180.

2. Строганов В.И., Коростелева И.А. Разность фаз и генерация оптических гармоник// Оптические и электрические процессы в кристаллах: Межвузовский сборник научных трудов. — Хабаровск: ДВГАПС, 1996. — С.97-98.

3. Строганов В.И., Коростелева И.А. Влияние поляризации на генерацию оптических гармоник II Оптические и электрические процессы в кристаллах: Межвузовский сборник научных трудов. — Хабаровск: ДВГАПС, 1996. —С.100-102.

4. Иванов В.И., Илларионов А.И., Коростелева И.А. Оптоволоконный датчик температуры на основе окиснованадиевой пленки II Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта: Тезисы докладов II Международной научно-технической конференции. — Москва: МГУ ПС, 1996. —Т.2. —С.109-110.

5. Дейнекина H.A., Коростелева И.А., Строганов В.И. Векторные взаимодействия в кристаллах КТР // Молодежь и наука регионам: Тезисы докладов международной конференции молодых ученых Сибири, Дальнего Востока и стран АТР. — Хабаровск: ХГАЭП, 1997. — С.18-19.

6. Иванов В.И., Илларионов А.И., Коростелева И.А. Обращение волнового фронта при четырехволновом смешении непрерывного излучения в условиях сильного самовоздействия // Письма в ЖТФ. —1997. — Т.23. — № 15, —С.60-63.

7. Илларионов А.И., Коростелева И.А. Оптимизация параметров АП-конверторов широкополосного излучения // Проблемы транспорта Дальнего Востока: Материалы второй международной конференции. — Владивосток: ДВО Академии транспорта РФ, 1997.— С.136.

8. Илларионов А.И., Коростелева И.А. Особенности нелинейных преобразований световых волн в двуосных кристаллах // Повышение эффективности работы железнодорожного транспорта Сибири и Дальнего Востока. Часть 2: Сборник тезисов докладов! — Хабаровск: ДВГУПС, 1997. — С. 187.

9. Коростелева И.А., Дейнекина H.A., Кравченко О.В. Преобразование излучения на кубичной и квадратичной нелинейности // Повышение эффективности работы железнодорожного транспорта Сибири и Дальнего Востока. Часть 2: Сборник тезисов докладов. — Хабаровск: ДВГУПС, 1997.

- С.187-133.

10. Илларионов А.И., Коростелева И.А. Основные характеристики нелинейного преобразования частоты в кристаллах класса mm2 // Люминес-

ценция и сопутствующие явления: Тезисы лекций и докладов федеральной школы-семинара. — Иркутск: ИГУ, 1997. — С. 15-16.

11. Илларионов А.И., Коростелева И.А. Нелинейно-оптические характеристики коллинеарного преобразования широкополосного теплового излучения в кристалле ниобата калия // Люминесценция и сопутствующие явления: Сборник научных трудов федеральной школы-семинара. — Иркутск ИГУ, 1997,—С. 168-174.

12. Коростелева И.А. Характеристики излучения, преобразованного в кристаллах класса mm2 // Принципы и процессы создания неорганических материалов: Сборник научных трудов Международного симпозиума (Первые Самсоновские чтения) — Хабаровск: Дальнаука, 1998. — С.153.

13. Illarionov АЛ.-, Korosteleva I.A. Conversion of the wide-band heat radiation in crystals of the class mm2 II ICONQ'98: XVI International Conférence on Cohérent and Nonlinear Optics. — Moscow, 1998. — P.90.

14. Илларионов А.И., Коростелева И.А., Прокопович M.P. Характеристики АП-конвертора широкополосного теплового излучения с лазерной накачкой на основе кристалла ниобата калия II Физика: Фундаментальные исследования, образование: Тезисы краевой научной конференции. — Хабаровск: ХГГУ, 1998.—С.50-51.

' 15. Илларионов А.И., Коростелева И.А. Коллинеарные преобразования широкополосного излучения в нелинейно-оптических кристаллах // Люми-' несценция и сопутствующие явления: Тезисы лекций и докладов IV Всероссийской школы-семинара. — Иркутск: ИГУ, 1998. — С.24.

16. Кидяров'Б.И., Пестряков Е.В., Коростелева И.А. Модели поиска и классификации перспективных оксидных кристаллов II Препринт № 3. — Хабаровск: ДВГУПС, 1998. — 23 с.

_ 17. Коростелева И.А., Дейнекина Н.А. Коллинеарное преобразование "широкополосного теплового излучения в кристаллах класса mm2 // Бюллетень научных сообщений №3. — Хабаровск: ДВГУПС, 1998. — С.59-63.

18. Илларионов А.И., Коростелева И.А., Дейнекина НА Эффективные нелинейности в кристаллах титан ил-фосфата калия и формиата лития // Нелинейные процесСь! в'оптике: Межвузовский сборник научных трудов. — Хабаровск: ДВГУПС, 1999. —С.61-63.

19. Оптическиё. гармоники "в кристаллах класса mm2 с кристаллофизи-ческой осью х, перпендикулярной входной грани / В.И. Строганов, И.А. Коростелева, Б.И. Кидяров и др. /( Нелинейные процессы в оптике: Межвузовский сборник.научнй>Г^удов. — Хабаровск: ДВГУПС, 1999. — С.66-69.

: "20^ Коростелева Дейнекина Н.А. Управление спектрами преобра-- зованного излучёнйя в^нелинейно-оптических кристаллах // Оптика - 99: "Тезисы докладов Международной конференции молодых ученых и спе-~ циалистов. — Санкт-Петербург, 199,9..—С.72.

21. Илларионов А.И., Коростелева И.А., Дейнекина Н.А. Расчет пространственного векторного синхронизма в двуосных кристаллах // Мате-

18

риалы XXXXII Всероссийской межвузовской научно-технической конференции. — Владивосток, 1999. — С.76-78.

22. Илларионов А. И.,'Коростелева И.А., Черных H.A. Нелинейное преобразование частоты и поглощение в кристалле формиата лития // Люминесценция и сопутствующие явления: Тезисы лекций и докладов V Всероссийской школы-семинара. — Иркутск: ИГУ, 1999. —С.20.

23. Коростелева И.А. Физические и нелинейно-оптические свойства кристалла титан ил-фосфата калия КТЮР04 (КТР) // Нелинейная оптика: Межвузовский сборник научных трудов. — Хабаровск: ДВГУПС, 2000. — С.64-68.

24. Необычные нелинейно-оптические свойства кристалла формиата лития / В.И.Доронин, Н.А.Дейнекина, И.А. Коростелева и др. // Бюллетень научных сообщений / Под редакцией В.И.Строганова. — Хабаровск: ДВГУПС, 2000. — №5. — С.27-29.

Ирина Александровна Коростелева.

НЕЛИНЕЙНОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ШИРОКОПОЛОСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ДВУОСНЫХ КРИСТАЛЛАХ КЛАССА тт2. Автореферат диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук.

* * *

ЛР №021068 от 1.08.96 г. ПЛД №79-19 от 19.01.00 г.

Подписано в печать 21.04.00. Печать офсетная. Бумага тип. N22. Формат 60x84/16.

Печ. л. 1,0. Зак. 119.Тираж 100.----------------------------------------------------------------------------------------------------

* * *

Издательство ДВГУПС.

680021, г. Хабаровск, ул. Серышева, 47.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. НЕЛИНЕЙНО-ОПТИЧЕСКИЕ КРИСТАЛЛЫ КЛАССА СИММЕТРИИ mm2. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА.

1.1. Кристалл титанил-фосфата калия КТЮРО4 (КТР).

1.2. Кристалл ниобата калия KNb03 (КНБ).

1.3. Кристалл ниобата бария-натрия Ba2NaNb5Oi 5 (НБН).

1.4. Кристалл формиата лития LiC00HH20 (LFM).

ГЛАВА 2. КОЛЛИНЕАРНЫЕ СИНХРОННЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СВЕТОВЫХ ВОЛН В КРИСТАЛЛАХ КЛАССА СИММЕТРИИ mm

2.1. Методика расчетов пространственных направлений коллинеарного синхронизма.

2.2. Пространственные направления коллинеарного синхронизма в кристаллах КТЮР04, Ba2NaNb50i5, KNb03 и LiC00HH20.

2.3. Угловые и спектральные характеристики преобразования широкополосного излучения.

2.4. Углы сноса для нелинейно-оптических кристаллов класс mm2.

ГЛАВА 3. ЭФФЕКТИВНЫЕ НЕЛИНЕЙНЫЕ КОЭФФИЦИЕНТЫ deff И ПАРАМЕТРЫ КАЧЕСТВА.

3.1. Методика расчетов эффективных коэффициентов нелинейности для кристаллов класса mm2.

KNb03, Ba2NaNb50,5 и LiC00HH20.

3.3. Параметры качества кристаллов KTi0P04, KNb03, Ba2NaNb50i и LiC00HH20.

ГЛАВА 4. ВЕКТОРНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В ДВУОСНЫХ КРИСТАЛЛАХ КЛАССА mm 2.

4.1. Методика расчетов пространственных направлений векторного синхронизма.

4.2. Оптические гармоники в кристалле формиата лития с кристаллофизической осью X, перпендикулярной входной грани.

4.3. Векторные гармоники в плоскости xz кристалла формиата лития.

4.4. Исследования векторных взаимодействий в кристаллах титанил-фосфата калия.

Современная прикладная нелинейная оптика вышла на качественно новый уровень своего развития. С одной стороны, продолжается интенсивное исследование новых нелинейных материалов, в частности, органических, с другой — значительно сузился круг нелинейных кристаллов, постоянно используемых в конкретных условиях для преобразования частоты [1-13].

Для определения пригодности нелинейных кристаллов в качестве преобразователей частоты необходимо, чтобы они удовлетворяли следующим основным требованиям:

1. величина нелинейности в них должна быть как можно более высокой;

2. должен существовать фазовый синхронизм для определенных типов взаимодействий;

3. должны быть прозрачными для всех взаимодействующих частот;

4. должны быть хорошего оптического качества и достаточно больших размеров;

5. должны обладать высокой радиационной стойкостью;

6. должны быть легко обрабатываемыми механически.

Если в кристалле выполняются условия волнового синхронизма, то кристалл может служить эффективным преобразователем света одной частоты в свет с удвоенной частотой, а также с суммарными и разностными частотами взаимодействующих волн [10,14-20]. В некоторых кристаллах удается наблюдать генерацию третьей, четвертой и пятой гармоник [20-23].

Перспективными материалами для нелинейной оптики с точки зрения реализации более разнообразных направлений синхронных взаимодействий являются двуосные кристаллы [10-12,14,24]. Они обладают высокими компонентами нелинейной восприимчивости, многие из них легко выращиваются, режутся, не являются гигроскопичными и др. К тому же ряд из них позволяет реализовать одновременно несколько типов нелинейных взаимодействий световых волн. Отмеченные особенности двуосных нелинейных кристаллов позволяют предложить их в качестве элементов оптической памяти, нелинейных оптических логических элементов вычислительных машин [25] и использовать для приборов неразрушающего контроля объектов техники [26].

Широкое применение нелинейные кристаллы нашли в приборах, используемых для визуализации инфракрасного (ИК) излучения [10,13,20,25,27-30]. Это связано с тем, что возникают большие технические трудности при использовании в качестве преобразователей газообразных сред и при глубоком охлаждении фотоприемников, особенно для среднего и дальнего инфракрасных диапазонов спектра. Для сохранения наиболее полной информации об ИК объекте необходимо преобразовать достаточно широкий спектр идущего от объекта теплового излучения в видимую область, для которой существуют детекторы излучения с достаточно хорошими техническими характеристиками. Это возможно при использовании для преобразования ИК излучения в нелинейном кристалле тепловой широкополосной накачки. Такие преобразования можно использовать для создания нелинейных радиометров, тепловизоров и других нелинейно-оптических приборов.

Важным преимуществом нелинейной визуализации ИК излучения по сравнению с электронно-оптическим преобразованием является сохранение фазовой информации, что позволяет проводить дальнейшую когерентную обработку изображения, например, голографию.

Все вышесказанное побуждает к исследованию новых кристаллов с целью выявления их свойств, пригодных для преобразования теплового излучения в видимую область спектра.

Кроме того, современная кристаллооптика нуждается в методиках, позволяющих выбрать из всего многообразия существующих нелинейных кристаллов наиболее эффективные для каждой конкретной цели.

До постановки настоящих исследований авторами других работ были разработаны методики расчета направлений коллинеарного [17,18,20,31] и неколлинеарного [18,20,27,32,33] синхронизма и коэффициента эффективной нелинейности deff в случае выполнения условий кол-линеарного синхронизма для второй гармоники в двуосных кристаллах [19,34,35]. В работе [36] приведена только схема вычисления для случая коллинеарного синхронизма при генерации суммарных частот в двуосных кристаллах. Результаты проведенных нами предварительных экспериментов показали, что эффективность преобразования широкополосного теплового излучения по спектру в пространственных направлениях в некоторых случаях выше, чем в кристаллофизических плоскостях. Необходимо отметить, что процессы преобразования по частоте ИК излучения в анизотропных кристаллах являются наименее изученными, хотя данная область исследований является перспективной с точки зрения создания инфракрасных приборов на новой основе. Данное обстоятельство обусловило необходимость создания математической модели для определения наиболее эффективных направлений синхронных взаимодействий световых волн в случае преобразования широкополосного теплового излучения в двулучепреломляющих кристаллах.

Все вышеотмеченное позволяет заключить, что задача исследования процессов преобразования широкополосного теплового излучения по частоте в анизотропных кристаллах является актуальной, имеющей важное прикладное значение.

Следуя методике, описанной в работе [37], для проведения исследований были выбраны наиболее "популярные" и имеющие достаточно высокие нелинейно-оптические восприимчивости второго порядка бинарные (ниобат калия KNb03 и формиат лития LiCOOHH20) и тернарные (титанил-фосфат калия КТЮРО4 и ниобат бария-натрия Ba2NaNb5Oi5) оксидные двуосные кристаллы. Выбор данных кристаллов обусловлен следующими факторами:

1. все эти кристаллы имеют одинаковую элементарную ячейку, принадлежат к одному и тому же классу симметрии mm2, что позволит набрать необходимую информацию на основании единой математической модели и сравнить полученные результаты;

2. имеется достаточное количество экспериментальных данных, полученных нами и другими авторами, что позволяет сравнивать результаты приведенных в диссертации теоретических расчетов с экспериментальными и предсказать новые результаты.

Основной целью работы является исследование закономерностей нелинейного преобразования широкополосного оптического излучения в дву-осных кристаллах класса mm2 на основе коллинеарных и векторных взаимодействий световых волн. Для достижения указанной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. детально проанализировать физические и нелинейно-оптические свойства двуосных кристаллов класса mm2;

2. разработать и апробировать методики расчета пространственных направлений коллинеарного и векторного синхронизмов;

3. определить направления наиболее эффективного преобразования теплового ИК излучения в видимую область спектра в двуосных кристаллах класса mm2;

4. провести экспериментальные исследования коллинеарных и векторных взаимодействий в кристаллах LiC00HH20 и КТЮР04.

Таким образом, в диссертационной работе основное внимание уделено детальному изучению преобразования широкополосного оптического излучения в двуосных кристаллах класса mm2.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1. впервые предложена и апробирована методика определения пространственных коллинеарных взаимодействий в двуосных кристаллах;

2. впервые проведено детальное исследование пространственных кол-линеарных взаимодействий в двуосных кристаллах;

3. впервые определены deff и параметры качества выбранных двуосных кристаллов, что позволяет определить для них наиболее эффективные направления пространственного преобразования;

4. впервые предложена и апробирована методика определения пространственных векторных взаимодействий в двуосных кристаллах;

5. впервые экспериментально исследована эволюция "колец" векторного синхронизма в кристаллах формиата лития и титанил-фосфата калия.

Представленная методика теоретических расчетов пространственных направлений коллинеарного и векторного синхронизмов, коэффициентов эффективной нелинейности и параметров качества позволяет предсказывать нелинейные эффекты для любого представителя класса симметрии mm2.

Полученные в диссертационной работе результаты теоретических расчетов и экспериментальных исследований могут служить базой для создания инфракрасных приборов на принципиально новой основе.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы.

Основные результаты диссертационной работы сводятся к следующим:

1. Предложена новая методика, позволяющая определить основные нелинейно-оптические параметры (пространственные направления коллинеарных и векторных синхронизмов, коэффициенты эффективной нелинейности, параметры качества, угловые и спектральные характеристики, углы сноса) двуосных кристаллов класса mm2, не прибегая к прямому решению системы уравнений, вытекающих из волнового уравнения.

2. Рассчитаны величины основных нелинейно-оптических свойств двуосных кристаллов КТЮРО4, KNb03, Ba2NaNb50i5 и LiC00H-H20 для случая синхронного преобразования широкополосного излучения из области

0,8.2,8 мкм в видимую область спектра 0,4.0,7 мкм, что позволит определять оптимальные геометрии данных кристаллов.

3. Обнаружены принципиальные отличия в процессах преобразования широкого ИК спектра частот в кристаллах формиата лития по сравнению с другими кристаллами, состоящие в наличии предельного угла синхронизма Фетах в кристаллофизической плоскости ху и скачков кривых коллинеарного синхронизма в пространстве вблизи полосы поглощения 1,1. 1,3 мкм.

4. Теоретически показано и экспериментально подтверждено, что нелинейно-оптические свойства кристаллов класса mm2 определяются их геометрией, типом взаимодействия световых волн, шириной ИК спектра, что позволяет, изменяя эти величины, управлять параметрами нелинейных преобразователей частоты.

5. Показано, что одновременная реализация нескольких типов синхронных коллинеарных и векторных взаимодействий в одном

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. — М.: Наука, 1970. — 856 с.

2. Цернике Ф., Мидвинтер Дж. Прикладная нелинейная оптика. — М.: Мир, 1976,—261 с.

3. Гурзадян Г.Г., Дмитриев В.Г., Никогосян Д.Н. Нелинейно-оптические кристаллы. Свойства и применение в квантовой электронике. —М.: Радио и связь, 1991. — 160 с.

4. Воронин Э.С., Стрижевский B.JI. Параметрическое преобразование ПК излучения с повышением частоты и его применение // Успехи физических наук. — 1979. —Г. 127. — № 1. — С.99-133.

5. Шен И.Р. Принципы нелинейной оптики: Пер.с англ. под ред. С.А. Ахманова. — М.: Наука. Гл.ред.физ.-мат.лит.,1989. — 560 с.

6. Ахманов.С.А., Чиркин А.С. Статистические явления в нелинейной оптике. -М: МГУ, 1971. 128с.

7. Бломберген Н. Нелинейная оптика. — М.: Мир, 1966. — 424 с.

8. Ахманов С.А., Хохлов Р.В. Проблемы нелинейной оптики. — М.: ВИНИТИ, 1964. -296 с.

9. Дмитриев В.Г., Тарасов JI.B. Прикладная нелинейная оптика. — М.: Радио и связь, 1982. — 352 с.

10. Гайнер А.В. Нелинейно-оптические преобразователи инфракрасного излучения. —Новосибирск: Наука. —1990. — 168с.

11. Особенности преобразования частоты широкополосного лазерного излучения на нелинейных кристаллах / Б.В.Бокуть , Н.С.Казак , В.Н.Белый и др. // Журнал прикладной спектроскопии. — 1975. —Т.22. —№2. — С.224-229.

12. Волосов В.Д., Андреев Р.Б. Генерация второй оптической гармоники немонохроматическим излучением лазера в нелинейных кристаллах // Оптика и спектроскопия. —1969. —Т.26. —№5. — С.809-814.

13. Колпаков Ю.Г. Исследование преобразования света в нелинейных кристаллах применительно к ИК спектроскопии и измерению частот. Авто-реф. дис. на соискание учен, степени к.ф.-м.н. — Новосибирск, 1978. — 10 с.

14. Никогосян Д.Н., Гурзадян Г.Г. Кристаллы для нелинейной оптики // Квантовая электроника. — 1987. — Т. 14. — № 8. — С. 1529-1541.

15. Орлов Р.Ю. Генерация гармоник оптического излучения в двухосных кристаллах // Известия ВУЗов. Радиофизика. — 1969. — Т. 12. — № 9. — С.1351-1353.

16. Бокуть Б.В. Оптическое смешение на двуосных кристаллах // Журнал прикладной спектроскопии. — Т.7. — № 4. — С.621-624.

17. Шигорин В.Д., Шипуло Г.П. Направления фазового синхронизма при генерации второй оптической гармоники в двуосных кристаллах // Квантовая электроника. — 1976. — Т.З.—№ 9. —С.2048-2051.

18. Степанов Д.Ю., Шигорин В.Д., Шипуло Г.П. Направления фазового синхронизма при оптическом смешении в двуосных кристаллах с квадратичной восприимчивостью // Квантовая электроника. — 1984. — Т.П. — №10. —С.1957-1964.

19. Лавровская О.И., Павлова Н.И., Тарасов А.В. Генерация второй гармоники излучения лазера АИГ: Nd3+ в оптически двуосном кристалле КТЮР04 // Кристаллография. — 1986. — Т.31. — № 6. — С. 1145-1151

20. Строганов В.И. Параметрические процессы в нелинейных оптических кристаллах при взаимодействии волн различной структуры. Автореф. дис. на соискание учен, степени д.ф.-м.н. — Томск: Томский государственный университет, 1989. — 32с.

21. Трехчастотные взаимодействия интенсивных световых волн в средах с квадратичной и кубичной нелинейностями / Разумихина Т.Б., Телегин JI.C., Чиркин А.С. и др. // Квантовая электроника. — 1984. — Т.П. — №10. — С.2026-2035.

22. Кравченко О.В. Преобразование широкополосного нелазерного излучения в нелинейных оптических кристаллах на кубичной нелинейности. Автореф. дис. на соискание учен, степени к.ф.-м.н. — Хабаровск: ДВГУПС, 1999, —17 с.

23. Masakatsu Okada, Kuniharu Takizawa and Shogo Ieiri. General effects of the symmetry and orientation of crystal on the second and third order nonlinear optical polarizations // Japanese Journal of Applied Physics. — 1977. — Y.16. — №1. — P.55-65.

24. Некоторые особенности синхронного взаимодействия световых волн в анизотропных кристаллах / Г.В.Кривощеков, В.И.Строганов, В.М.Тарасов и др. // Оптика и спектроскопия. —1973. —Т.34. —№2. — С.347-350.

25. Илларионов А.И. Нелинейные преобразования световых волн со сложным фазовым фронтом в анизотропных кристаллах. Автореф. дис. на соискание учен, степени д.ф.-м.н. — Хабаровск: ДВГУПС, 1997. — 36 с.

26. Коростелева И.А. Регистрация дефектов в нелинейных оптических кристаллах // Повышение эффективности работы железнодорожного транспорта Дальневосточного региона: Тезисы докладов научно-технической конференции.— Хабаровск: ДВГАПС, 1995, —С.180.

27. Дейнекина Н.А. Векторные взаимодействия световых волн при преобразовании немонохроматического излучения в нелинейных кристаллах. Автореф. дис. на соискание учен, степени к.ф.-м.н. — Хабаровск: ДВГУПС, 1998.— 16 с.

28. Колпаков Ю.Г., Кривощеков Г .В., Строганов В.И. Оптические гармоники, возбуждаемые излучением теплового источника света // Нелинейные процессы в оптике. —Новосибирск: ИПФ СОАН СССР. — 1973. —С.306-314.

29. Преобразование оптического излучения с широким спектром в нелинейных кристаллах / Ю.Г.Колпаков, Г.В.Кривощеков, В.И.Самарин и др. // Журнал прикладной спектроскопии. — 1979. —Т.ЗО. —№5. — С.884-887.

30. Александровский А.А., Ахманов С.А. Эффективные нелинейно-оптические преобразователи на кристаллах калий-титанил-фосфата // Квантовая электроника. — 1985. -—№7. — С. 1333-1334.

31. Hobden M.V. Phase-matched second-harmonic generation in biaxial crystals // Journal of Applied Physics. —1967. —У.38.—No. 11.—P.4365-4372.

32. Сидоров H.K. Простые формулы для расчета направлений коллинеарного синхронизма при ГВГ в двуосных кристаллах // Квантовая электроника. — 1992. — Т.19. —№ 9. — С.880-881.

33. Сидоров Н.К., Цой В.И. Простые формулы для нахождения показателей преломления лучей, распространяющихся в произвольном направлении в двуосных кристаллах // Известия ВУЗов. Физика. — 1996.—№ 9.—С. 120.

34. Yao J.Q., Fahlen T.S. Calculations of optimum phase match parameters for the biaxial crystal KTi0P04 // Journal of Applied Physics. — 1984. — V.55. — No.l. —P.65-68.

35. Ito H., Naito H., Inaba H. Generalized study on angular dependence of induced second-order nonlinear optical polarizations and phase matching in biaxial crystals // Journal of Applied Physics. — 1975. — V.48. —No.9. — P.3992-3998.

36. Диесперов K.B., Дмитриев В.Г. Вычисление коэффициента эффективной нелинейности при генерации суммарной частоты для коллинеарного синхронизма с учетом двулучепреломления в двуосных кристаллах // Квантовая электроника. — 1997. — Т.24. — № 5. — С.445-448.

37. Кидяров Б.И., Пестряков Е.В., Коростелева И.А. Модели поиска и классификации перспективных оксидных кристаллов // Препринт № 3. — Хабаровск: ДВГУПС, 1998. —с.23.

38. Илларионов А.И., Коростелева И.А. Коллинеарные преобразования широкополосного излучения в нелинейно-оптических кристаллах // Люминесценция и сопутствующие явления: Тезисы лекций и докладов IV Всероссийской школы-семинара. —Иркутск: ИГУ, 1997. — С.24.

39. Строганов В.И., Коростелева И.А. Разность фаз и генерация оптических гармоник // Оптические и электрические процессы в кристаллах: Межвузовский сборник научных трудов. — Хабаровск: ДВГАПС, 1996. — С.97-98.

40. Строганов В.И., Коростелева И.А. Влияние поляризации на генерацию оптических гармоник // Оптические и электрическиепроцессы в кристаллах: Межвузовский сборник научных трудов. — Хабаровск: ДВГАПС, 1996. — С.100-102.

41. Коростелева И.А., Брехов Д.Г., Назаров Б.Н. Волна нелинейной поляризации и генерация оптических гармоник // Проблемы железнодорожного транспорта: Межвузовский сборник научных трудов. — Хабаровск: ДВГАПС, 1997, —С.112-113.

42. Фазовый синхронизм в кристаллах КТР / И.А. Коростелева, Н.А. Дейнекина, О.В. Кравченко и др. // 43-я научная конференция: Материалы. — Хабаровск: ХГПУ, 1997. — С.15-16.

43. Иванов В.И., Илларионов А.И., Коростелева И.А. Обращение волнового фронта при четырехволновом смешении непрерывного излучения в условиях сильного самовоздействия // Письма в ЖТФ. — 1997. — Т.23.— № 15. —С.60-63.

44. Илларионов А.И., Коростелева И.А. Оптимизация параметров АП-конверторов широкополосного излучения // Проблемы транспорта Дальнего Востока: Материалы второй международной конференции. — Владивосток: ДВО Академии транспорта РФ, 1997. — С. 136.

45. Илларионов А.И., Коростелева И.А. Основные характеристики нелинейного преобразования частоты в кристаллах класса mm2 // Люминесценция и сопутствующие явления: Тезисы лекций и докладов федеральной шко-лы-семинара.—Иркутск: ИГУ, 1997. — С.15-16.

46. Illarionov A.I., Korosteleva I.A. Conversion of the wide-band heat radiation in crystals of the class mm2 // ICONO'98: XVI International Conference on Coherent and Nonlinear Optics. —Moscow, 1998. — P.90.

47. Коростелева И.А., Дейнекина Н.А. Коллинеарное преобразование щирокополосного теплового излучения в кристаллах класса mm2 // Бюллетень научных сообщений №3. — Хабаровск: ДВГУПС, 1998. — С.59-63.

48. Илларионов А.И., Коростелева И.А., Дейнекина Н.А. Эффективные нелинейности в кристаллах титанил-фосфата калия и формиата лития // Нелинейные процессы в оптике: Межвузовский сборник научных трудов. — Хабаровск: ДВГУПС, 1999. — С.61-63.

49. Коростелева И.А., Дейнекина Н.А. Управление спектрами преобразованного излучения в нелинейно-оптических кристаллах // Оптика 99: Тезисы докладов Международной конференции молодых ученых и специалистов. — Санкт-Петербург, 1999. — С.72.

50. Илларионов А.И., Коростелева И.А., Дейнекина Н.А. Расчет пространственного векторного синхронизма в двуосных кристаллах П Материалы ХХХХИ Всероссийской межвузовской научно-технической конференции. — Владивосток, 1999. — С.76-78.

51. Илларионов А.И., Коростелева И.А., Черных Н.А. Нелинейное преобразование частоты и поглощение в кристалле формиата лития // Люминесценция и сопутствующие явления: Тезисы лекций и докладов У Всероссийской школы-семинара. — Иркутск: ИГУ, 1999. — С.20.

52. Коростелева И.А. Физические и нелинейно-оптические свойства кристалла титанил-фосфата калия КТЮР04 (КТР) // Нелинейная оптика:

53. Межвузовский сборник научных трудов. — Хабаровск: ДВГУПС, 2000. — С.64-68.

54. Необычные нелинейно-оптические свойства кристалла формиата лития / В.И.Доронин, Н.А.Дейнекина, И.А. Коростелева и др. // Бюллетень научных сообщений / Под редакцией В.И.Строганова. — Хабаровск: ДВГУПС, 2000. — С.27-29.

55. Современная кристаллография (в четырех томах). Том 4. Физические свойства кристаллов / Шувалов Л.А., Урусовская А.А., Желудев И.С. и др. —М.: Наука, 1981. —496 с.

56. Коренева Л.Г., Золин В.Ф., Давыдов Б.Л. Молекулярные кристаллы в нелинейной оптике. М.: Наука, 1975. - 136 с.

57. Bierlein J.D., Vanherzeele Н. Potassium titanyl phosphate: properties and new applications // Journal Optical Society of America. B. — 1989. — V. 6.1. No.4. — P.622-633.

58. Inclusion tuning of nonlinear optical materials: KTP isomorphs / Phillips M.L., Gier Т.Е., Eddy M.M. et al. // Solid State Ionics. — 1989. — V.32/33.1. P.147-153.

59. Милль Б.В., Стефанович С.Ю., Буташин A.B. Фазовые переходы в новых сегнетоэлектриках семейства КТЮРО4 // Кристаллография. — 1991.

60. Т. 36, — №6, — СЛ481-1483.

61. Russel J., Alford W.J., Smith A.V. Simple method of detecting ferroelectric domains with non-phase-matched second-harmonic generation // Applied Optics. — 1998. — V. 37,— No. 15. — P.3311-3317.

62. Свидетельства сегнетоэлектрического перехода в кристаллах КТЮР04 / Леонов А.П., Воронкова В.И., Стефанович С.Ю. и др. // Письма в ЖТФ,— 1985,— Т. 11,—№2. —С.85-89.

63. Воронкова В.И., Яновский В.К. Морфология кристаллов КТЮРО4 // Кристаллография. — 1986. — Т.31. — №1. — С.207-208.

64. Габитус кристаллов KTi0P04 и связь его с условиями кристаллизации / Павлова Н.И., Гармаш В.М., Сильницкая Г.Б. и др. // Кристаллография,— 1986. —Т.31. —№ 1. —С.153-158.

65. Tardjman I., Masse R., Gritel С. Structure cristalline du monophosphate КТЮРО4 // Z. Kristallogr. — 1974. — V. 139. — P. 103-115.

66. Дамазян Г.С., Есаян С.Х., Манукян А.Л. Выращивание и оптические свойства монокристалла КТЮРО4 // Кристаллография. — 1986. — Т.31.2. —С. 408-409

67. Кристаллические структуры соединений в системе КТЮР04-KGe0P04 / Сорокина Н.И., Воронкова В.И., Яновский В.К. и др. // Кристаллография. — 1996. — Т.41. — № 3. — С.457-460.

68. Точечные дефекты, структура и свойства кристаллов КТР / Г.Р. Булка, Е.К. Белоногова, Г.А. Ермаков, Н.М. Низамутдинов, Н.И. Павлова //

69. Обзоры по электронной технике. М., ЦНИИ "Электроника", 1990, В.12(1587).

70. Способы получения и физические свойства кристаллов КТР / Булка Г.Р., Бутягин О.Ф., Ермаков Г.А. и др. // Лазерная техника и оптоэлектро-ника. — 1992. — Т. 1 -2. — № 62-63. — С. 69-76.

71. Изменение показателей преломления в кристалле КТР при воздействии моноимпульсов излучения с длиной волны 0,53 мкм / Маслов В. А., Михайлов В.А., Шаунин О.П. и др. // Квантовая электроника. — 1993. — Т.20. — № 8. — С.801-804.

72. Нелинейное поглощение в кристаллах КТР / Маслов В.А., Михайлов В.А., Шаунин О.П. и др. // Квантовая электроника. — 1997. — Т.24. — №4. — С.367-370.

73. Влияние ЦО на оптические свойства кристаллов КТР и на эффективность преобразования в них лазерного излучения / Ангерт Н.Б., Гармаш В.М., Павлова Н.И. и др. // Квантовая электроника. — 1991. — Т. 18. — № 4.1. С.470-472.

74. Исследование характеристик кристалла КТЮРО4 как преобразователя оптических частот / Галайчук Ю.А., Дьяков В.А., Лихолит Н.И. и др. // Известия Академии наук СССР. — 1988. — Т. 52. —№ 3. — С.560-563.

75. Кузьминов Ю.С. Сегнетоэлектрические кристаллы для управления лазерным излучением. — М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1979. — 400 с.

76. Шуваева В.А., Антипин М.Ю. Структурный беспорядок в кристалле KNb03 по данным рентгеновской дифракции и exafs-спектроскопии // Кристаллография. — 1995. — Т.40. — № 3. — С.511 -516.

77. ЖелудевКС. Электрические кристаллы.—М.: Наука, 1969.— 213 с.

78. Materials constants of KNb03 relevant for electro- and acousto-optics / Zgonik M., Schlesser R., Biaggio I. et al. П Journal of Applied Physics. — 1993.

79. V.74. —No.2. — P. 1287-1297.

80. Петров М.П., Степанов С.И., Хоменко A.B. Фоторефрактивные кристаллы в когерентной оптике. — СПб.: Наука. С.-Петербургское отд-ние, 1992. —320 с.

81. Акустические кристаллы. Справочник / Блистанов А.А., Бондарен-ко B.C., Чкалова В.В. и др.; под ред. М.П.Шаскольской. —М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1982.

82. Рез И.С., Поплавко Ю.М. Диэлектрики. Основные свойства и применения в электронике. — М.: Радио и связь, 1989. — 288 с.

83. Фридкин В.М., Попов Б.Н. Аномальный фотовольтаический эффект в сегнетоэлектриках // Успехи физических наук. — 1978. — Т. 126. — №4. — С.657-671.

84. Baumert J.C., Gunter P., Melchior H. High efficiency second-harmonic generation in KNb03 crystals // Optics communications. — 1983. — V.48. — No.3. — P.215-220.

85. Фотоэлектрические и фоторефрактивные свойства сегнетоэлектрика ниобата бария-натрия / Воронов В.В., Кузьминов Ю.С., Осико В.В. и др. // Кристаллография . — 1980. — Т.25. — № 6. — С.1208-1215.

86. Одулов С.Г., Олейник О.И. Фоторефракция и голографическая запись в кристалле ниобата бария-натрия // Физика твердого тела. — 1985. — Т.27. —№ 11, —С.3470-3473.

87. Гриднев С.А., Бирюков А.В., Ходоров А.А. Амплитудные зависимости внутреннего трения в сегнетоэлектрическом кристалле Ba2NaNb50i5 / Известия Академии наук.— 1998. — Т. 62.—№ 8. — С. 1589-1592.

88. Широкоперестраиваемый безрезонаторный параметрический генератор пикосекундных световых импульсов с квазинепрерывной накачкой / Данелюс Р., Пискарскас А., Сируткайтис В. и др. // Квантовая электроника. — 1986. —Т.13. —№ 11. —С.2165-2166.

89. Nonlinear optical susceptibility of lithium formate monohydrate / Singh S., Bonner W.A., Potopowicz J.A. et al. // Applied Physics Letters. — 1970. — V.17. —No. 7. — P.292-294.

90. Александровский A.JI., Израиленко A.H., Рашкович Л.Н. Выращивание монокристаллов формиата лития и их электрооптические свойства // Квантовая электроника. — 1974. — Т.1. — №5. — С. 1261-1264.

91. О получении кристаллов формиатов редкоземельных элементов / Соболева Л.В., Огаджанова В.В., Хапаева Л.И. и др. // Кристаллография. — 1984. — Т.29. —№ 3. — С.581-586.

92. Строганов В.И., Кидяров Б.И., Трунов В.И. Девяностоградусный синхронизм в кристаллах формиата лития // Оптика и спектроскопия. — 1979. — Т.47. — № 3. — С.575-578.

93. Hobden M.V. Nonlinear properties of lithium formate monohydrate // Journal of Applied Physics. — 1967. — V. 17. — P.292-296.

94. Dunning F.B., Tittel F.K., Stebbings R.F. Second harmonics generation in LFM//Optics Communications. 1973. - Vol.7. - №3. - P. 181-184.

95. Илларионов А.И., Строганов В.И., Кидяров Б.И. Векторные взаимодействия и нелинейная коническая рефракция в кристаллах формиата лития // Оптика и спектроскопия. — 1980. — Т.48. —№ 3. — С.578-585.

96. Строганов В.И., Илларионов А.И., Кидяров Б.И. Коническая рефракция при возбуждении оптической гармоники в кристалле формиата лития // Журнал прикладной спектроскопии.— 1980. —Т.32.—№ 4. — С.619-622.

97. Воронин Э.С. Преобразование частоты как новый метод регистрации инфракрасного излучения. — М.: МГУ, 1970. — 324 с.

98. Уравнение Селмейера и перестроечные характеристики преобразователей частоты на кристалле КТР в области 0,4 4,0 мкм / Дьяков В.А., Красников В.В., Прялкин В.И. и др. // Квантовая электроника. — 1988. — Т. 15. — № 9. — С. 1703-1704.

99. Dmitriev V.G., Nikogosyan D.N. Optics communications, 95,173 (1993).

100. Строганов В.И., Самарин В.И., Сорокин С.В. Возбуждение гармоник вне синхронизма в нелинейных средах пучками излучения конечной апертуры // Оптика и спектроскопия. — 1974. — Т.36. — №4. — С.753-757.

101. Головей М.П., Калинка И.Н., Косоуров Г.И. Векторный синхронизм при ое-»е взаимодействии световых волн в нелинейных кристаллах // Оптика и спектроскопия. — 1971. —Т.30. —№5. — С.947-951.

102. Кривощеков Г.В., Самарин В.И., Строганов В.И. Векторные нелинейные взаимодействия световых волн в кристаллах LiJ03 и K2S206 // Известия высших учебных заведений. — 1974. — №8. —С.65-70.

103. Наблюдение векторного синхронизма при генерации второй гармоники неодимого ОКГ на монокристаллах метанитроанилина / Б.Л. Давыдов, М.Е.Жабожинский , В.Ф.Золин и др. // Письма в ЖЭТФ. — 1971. — Т.13, — С.336-339.

104. Векторный синхронизм при смешении световых волн в диэлектрических кристаллах / Кривощеков Г.В., Строганов В.И., Тарасов В.М. и др. //Известия ВУЗов. Физика. — 1970,— № 12. — С.120-130.

105. Строганов В.И. Угловая ширина векторного синхронизма // Оптика и спектроскопия. — 1979. — Т.46. — №4. — С.818-819.

106. Строганов В.И., Илларионов А.И. Аберрационная структура второй гармоники // ЖПС. — Т.34. — №2. — С.232-237.