Фотоиндуцированное рассеяние света в легированных и нелегированных кристаллах ниобата лития тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

г; а од

1 г 1233

На правах рукописи

Скоблецкая Оксана Васильевна

ФОТОИНДУ ЦИРОВАННОЕ РАССЕЯНИЕ СВЕТА В ЛЕГИРОВАННЫХ И НЕЛЕГИРОВАННЫХ КРИСТАЛЛАХ НИОБАТА ЛИТИЯ

01.04.05-Оптика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Хабаровск 1998

Скоблецкая Оксана Васильевна.

ФОТОННДУЦИРОВАННОЕ РАССЕЯНИЕ СВЕТА В ЛЕГИРОВАННЫХ И НЕЛЕГИРОВАННЫХ КРИСТАЛЛАХ НИОБАТА ЛИТИЯ.

01.04.05-Оптика.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук. ***

Подписано в печать 09.04.98. ЛР №021068. ПЛД №79-19 Печать офсетная. Бумага тип. №2. Формат 60x84/16 Печ.л. 1,0. Зак. 16.Тираж 100.

Издательство ДВГУПС

680021, Хабаровск, ул. Серышева, 47.

На правах рукописи

Скоблецкая Оксана Васильевна

ФОТОИНДУЦИРОВАННОЕ РАССЕЯНИЕ СВЕТА В ЛЕГИРОВАННЫХ И НЕЛЕГИРОВАННЫХ КРИСТАЛЛАХ НИОБАТА ЛИТИЯ

01.04.05-Оптика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Хабаровск 1998

Работа выполнена в Дальневосточном государственном университете путей сообщения.

Научный руководитель: д-р физ.-мат. наук

В.И.Строганов

Консультанты: канд. техн. наук канд. физ.-мат. наук

О. Л. Рудых Ю.М.Карпец

Официальные оппоненты: д-р физ.-мат. наук канд. физ.-мат. наук

Ю.И. Болотин Е.В.Полетаева

Ведущая организация: Хабаровский государственный технический университет.

Защита состоится 12 мая 1998 года в 14°° часов на заседании диссертационного совета К 114.12.01 при Дальневосточном государственном университете путей сообщения по адресу: 680056, Хабаровск, ул.Серышева, 47, ауд.204.

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

Автореферат разослан" ю 1998 года

Ученый секретарь диссерта-

ционного совета К 114.12.01 д-р физ.-мат. наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Успешное развитие лазерной техники позволило реализовать многочисленные эксперименты в области нелинейной оптики! Практически любой эффект нелинейной оптики может быть положен в основу оптических приборов, которые приобретают новые уникальные свойства и значительно расширяют свои характеристики.

В настоящее время большое внимание уделяется исследованию сегне-тоэлектрических фоторефрактивных сред и особенностям взаимодействия этих сред с лазерным излучением при различных внешних факторах. Считается, что фоторефрактивные среды являются перспективными для создания на их основе новых элементов информационной техники.

В фоторефрактивных средах реализуется одновременно несколько оптических эффектов. Под действием оптического излучения происходит заброс электронов в зону проводимости (фотопроводимость). Электроны из-за отсутствия центра симметрии среды, перемещаются в образце, а затем закрепляются на особых уровнях. В местах закрепления электронов возникают сильные электрические поля (фотовольтаический эффект). Под действием электрического поля з образце изменяется показатель пре-помления (фоторефрактивный эффект).

Сопутствующими данным эффектам являются генерация излучения эазностной частоты (ш4 = со + со - а), с частотой ом, совпадающей с частотой со падающего на образец излучения (фоторефрактивное рассеяние) и нестационарное изменение доменной структуры образца во времени.

Эти эффекты оказывают друг на друга взаимное влияние, усложняют протекание каждого процесса, а нестабильность доменной структуры приводит к изменению ряда характеристик процессов во времени.

Ряд данных эффектов интенсивно исследовался (в литературе, в журнальных статьях приведены многочисленные результаты). Но несмотря на это, в целом, проблема взаимного влияния эффектов друг на друга, выяв-тение особенностей протекания процессов, учет неизвестных деталей зтих процессов вызывают глубокий интерес и требуют дальнейшего изу-4ения.

Одним из наиболее эффективных фоторефрактивных кристаллов яв-1яется кристалл ниобата лития (Ы!\1Ь03). Эти кристаллы обладают высо-:ими нелинейными, электрооптическими, пироэлектрическими, фотогаль-)аническими, пьезоэлектрическими свойствами, что позволяет применять IX для создания устройств преобразования частоты оптического излуче-)ия, при голографической записи информации.

Поскольку практическое применение кристаллов имЬ03 и других нели-юйных сред довольно часто затруднено сопутствующими эффектами, то

становятся актуальными исследования, направленные на выяснение природы различных "мешающих" оптических эффектов. Актуален и поиск путе( управления свойствами различных нелинейных материалов.

Наиболее ярко эффекты фоторефракции, фоторефрактивного рассеяния и сопутствующие эффекты выражены в кристаллах иыЬОз. Для выявления особенностей данных эффектов целесообразно провести исследования на одном кристалле (кристалле ниобата лития), используя чистые и легированные кристаллы.

Цель и задачи работы

Основной целью работы являются исследования закономерностей и особенностей фотовольтаического и фоторефрактивного эффектов, фоторефрактивного рассеяния света и сопутствующих процессов в легированных и нелегированных кристаллах ниобата лития.

Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены следующие задачи.

1. Проведен систематический анализ литературных данных по наблюдаемым эффектам в легированных и нелегированных кристаллах ниобата лития.

2. Рассмотрена аналогия между фотовольтаическим эффектом и эффектом оптического выпрямления.

3. Проведен анализ фотовольтаического эффекта на кубичной нелинейности для кристалла ниобата лития.

4. Исследованы и зарегистрированы ряд особенностей протекания фотовольтаического эффекта в легированных и нелегированных кристалпа> ниобата лития.

5. Исследованы характерные особенности записи и считывания фоторефрактивного изменения показателя преломления в легированных кристаллах ниобата лития.

6. Изучед фоторефрактивный эффект при острой фокусировке излуче ния в кристалл.

.: 7. Обнаружен и исследован эффект закрепления электрооптическиз изменений показателя преломления в кристаллах иЫЬ03.

8. Рассмотрена генерация разностных частот на кубичной нелинейно сти.

9. Экспериментально исследовано фоторефрактивное рассеяние све та в легированных и нелегированных кристаллах ниобата лития в сфоку сированных и несфокусированных пучках лазерного излучения.

10. Исследована нестационарная кольцевая структура в пучках рассе янного излучения.

Научная новизна работы

Основные научные результаты работы сводятся к следующему.

1. Выявлена аналогия между фотовольтаическим эффектом и эффектом оптического выпрямления в кристаллах ниобата лития.

2. Впервые исследован ряд особенностей фотовольтаического эффекта на кубичной нелинейности в кристаллах ниобата лития.

3. Детально исследован ряд новых особенностей фотовольтаического эффекта в легированных и нелегированных кристаллах ниобата лития.

4. Впервые получены временные характеристики фоторефракгивного эффекта при острой фокусировке излучения в кристалл.

5. Зарегистрированы фоторефрактивные изменения показателя преломления на легированных кристаллах ниобата лития.

6. Исследован новый эффект - эффект записи в кристалле электрооптических изменений показателя преломления кристалла.

7. Обнаружены новые особенности фоторефрактивного рассеяния света в легированных и нелегированных кристаллах в сфокусированных и несфокусированных пучках излучения.

8. Впервые обнаружена и исследована нестационарная кольцевая структура в рассеянном в кристалле излучении для х- и у срезов кристалла.

Практическая ценность работы

Все полученные в диссертационной работе научные результаты и используемые методы служат основой для создания новых нелинейно-оптических.элементов и на их основе приборов нового типа, применяемых в открытых и волоконных оптических линиях связи, для создания новых запоминающих и других устройств.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в работах [1 - 20] и докладывались автором:

1) на Дальневосточной научно-практической конференции "Проблемы транспорта Дальнего Востока", Владивосток, 1995 г.;

2) 39-й научно-технической конференции "Повышение эффективности работы железнодорожного транспорта Дальневосточного региона", ЦВГУПС, Хабаровск, 1995 г.;

3) 41-й, 42-й и 43-й научных конференциях ХГПУ, Хабаровск, 1995, 1996,1997г.; .

4) 11-й Международной Вавиловской конференции по нелинейной оп-^ гике, Новосибирск, 1997 г.;

5) научно-технической конференции ДВГУПС, Хабаровск, 1997 г.;

6) 2-й Международной конференции "Проблемы транспорта Дальнего Востока", Владивосток, 1997 г.;

7) Международной научной конференции молодых ученых Сибири, Дальнего Востока и стран АТР "Молодежь и наука - регионам", Хабаровск, 1997 г.

Структура и объём работы

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Общий объём работы составляет 117 страниц, включая 27 рисунков.

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Между эффектами оптического выпрямления и фотовольтаическиг/ существует глубокая аналогия, основанная на общих закономерности протекания процессов как на квадратичной, так и на кубичной нелинейно-стях.

2. Фотовольтаический эффект на кубичной нелинейности в кристалла) ниобата лития возникает за счет асимметрии используемых оптически) частот.

3. Кольцевая нестационарная структура в фоторефрактивном рассея нии обусловлена нестабильностью доменной системы кристалла и воз можна для любых срезов (например, х, у, или z).

4. При возбуждении разностных частот ю4 = 2со - са = со на кубичной не линейности нефокусируемыми коллинеарными пучками излучения уело вия фазового синхронизма осуществляются для шести типов взаимодей ствий для любого направления в кристалле. Для оставшихся десяти взаи модействий фазовый синхронизм реализуется только вдоль оптической оси, но зато для этих взаимодействий в любом направлении в кристалл« могут быть выполнены условия векторного синхронизма.

, 5. В кристалл ниобата лития можно записать не только голографиче ские дифракционные решетки, но и искусственные нелинейные элементы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность и практическая значимость ра боты, определена цель диссертации, кратко изложено содержание рабо ты, сформулированы защищаемые положения.

Первая глава посвящена обзору литературы по вопросам различны: нелинейных оптических явлений. В частности, рассмотрены различны! модели, закономерности и механизмы фотовольтаического и фотореф

б

рактивного эффектов, особенности электрооптического эффекта. Приведен обзор литературных данных по экспериментальному и теоретическому исследованию фотоиндуцированного рассеяния света, его разновидностей и особенностей. Рассмотрена возможность генерации разностных частот и реализации различных нелинейных взаимодействий на кубичной нелинейности.

Вторая глава посвящена фотрвольтаическому эффекту в кристаллах ниобата лития.

В параграфе 2.1 рассмотрена возможность появления фотовольтаиче-ского эффекта на квадратичной и кубичной нелинейностях, его связь с эффектом оптического выпрямления. И фотовольтаический, и эффект оптического выпрямления описываются феноменологически одинаково.

Для фотовольтаического тока на квадратичной нелинейности, с учетом компонент тензора фотовольтаического тока

j¡ = pl¡kE0)E0k - 1/2 {cos (k, - kk)r - cos (2mt - (k, + kK)r)}. (1 )

В выражении (1) первый член в фигурных скобках ответственен за фотовольтаический эффект на квадратичной нелинейности (3¡ii<.

Для кристалла ниобата лития рассмотрен вклад различных нелинейных компонент Рйк в фотовольтаический эффект. Все 12 компонент, отличные от нуля для кристалла ниобата лития, приводят к изменению показа-геля преломления кристалла. Кроме того, компоненты (Зц3 и Р22з на кристаллах х или у среза позволяют наблюдать явления дифракции [самодифракции) излучения на записанных одним падающим лучом голо--рафических решетках. В этом случае должны быть проекции вектора Е ладающего излучения на оси х, z или у, z.

Кристалл может становиться двуосным, либо оставаться одноосным в зависимости от того в каком направлении протекает фотовольтаический гок (одноосный - вдоль оси z, двуосный - вдоль оси х или у).

Предположим, что луч фокусируется в кристалл у среза (ось пучка лу-4ей направлена вдоль у, поле Е вдоль z, работает компонента (З333). Угол иежду диаметрально противоположными лучами в пучке, относительно эси у, обозначим через у. Тогда интерференционное поле двух лазерных пучей

Е = 2Е0- sir¡(cot - k cos y/2 • y) • cos(k sin y/2 • x). (2)

Период Ai интерференционного поля вдоль оси х найдем из соотноше-

■1ИЯ

I .

cos (k s/ny/2 • x) = cos 2n ■ xJAb

где Л-, = I/ п 5щ!2.

(3)

Интерференционное поле с периодом Л1 запишет за счет эффекта фоторефракции топографическую решетку (совокупность голографических решеток с разными периодами А,). На этой решетке происходит дифракция (самодифракция) падающего излучения. Голографическая решетка имеет круговую симметрию относительно оси сфокусированного лазерного пучка. Это должно приводить к угловому уширению лазерного пучка за пределами кристалла. В кристаллах ниобата лития, легированных примесями, возможно образование нестационарной голографической решетки с : преимущественно выраженным периодом Лч, который к тому же меняется во времени. На основе такой голографической решетки может быть объяснена тонкая структура луча с кольцами, диаметр которых увеличивается во времени.

В средах с кубичной нелинейностью возможны фотовольтаический эффект и эффект оптического выпрямления. Имеется значительное число публикаций с экспериментальными и теоретическими наблюдениями записи голографических решеток в центросимметричных средах, например, стеклах, легированных церием. В ряде случаев фотовольтаический эффект в центросимметричной среде, в конечном итоге, приводит к генерации второй оптической гармоники, что наблюдалось в оптоволоконных линиях. В диссертации показано, что фотовольтаический эффект на кубичной нелинейности возможен не только в центросимметричных средах, не ■ и в кристаллах, обладающих одновременно квадратичной и кубичной не-линейностями. Рассмотрены особенности эффекта применительно к отличным от нуля компонентам тензора у^ в кристалле ниобата лития. Поскольку компоненты тензора влияют на величину возникающего фото вольтаического тока, то условия записи голографических решеток оказы ваются различными и зависят от угла распространения излучения а и угле Р между оптической осью и вектором напряженности лазерного излучения

Как и в случае квадратичной нелинейности, одноосность или двуос ность кристаллов, при наличии компонент тензора кубичной нелинейно сти, зависит от направления вектора напряженности наведенного элек трического поля (вдоль осей х, у и г). Известно, что под действием посто янного электрического поля в средах изменяется не только показател! преломления, но и величина нелинейной восприимчивости среды. Так например, в центросимметричной среде появляется квадратичная нели нейность. Если на кубичную среду падает излучение с частотам:

(01=Ш2=®; ю3 = 2ю и волновыми векторами к°,к§ и к| соответственно, т<

фотовольтаический ток будет промодулирован. Например,

] = уЕ3-со5(к? -ке3).

(4)

Возникнет квадратичная нелинейная восприимчивость

Х = Хо-«>8(к?+к|-к5).'

(5)

Полагая, что на квадратичной нелинейности х происходит сложение частот со, и (о2, имеем волну нелинейной поляризации е кристалле

где к° + к? - кз = к4. Подставив в выражение (6), видим, что со^юг = 2со, а к^ является волновым вектором для излучения с частотой 2ш, то есть условия фазового синхронизма для данного процесса выполнены автоматически, Записанная решетка нелинейной восприимчивости позволяет реализовывать смешение обыкновенных и необыкновенных волн с одинаковой частотой, получая излучение на удвоенной частоте.

Особое значение имеет фотовольтаический эффект на кубичной нелинейности в центросимметричных кристаллах, где квадратичная нелинейность равна нулю. На основе таких сред могут быть созданы преобразователи частоты - генераторы гармоник, суммарных и разностных частот.

В параграфе 2.3 приведены результаты наблюдения фотовольтаиче-ского эффекта на легированных и чистых кристаллах ШЬ03. Получена типичная картина напряжения, возникающего в кристаллах с полярной осью, перпендикулярной электродам. Наблюдается спад напряжения скачком в определенные моменты времени с последующим подъемом и общей тенденцией к насыщению. Спад сопровождается высокочастотным импульсом, который зависит от типа скачка. Если же электроды параллельны полярной оси кристалла, то постоянное напряжение на кристалле не регистрируется, тогда как высокочастотный импульс регистрируется. Импульсы в постоянном напряжении на электродах или высокочастотные импульсы появляются либо в момент изменения структуры рассеянного света, либо в момент изменения некоторых деталей этой структуры.

Экспериментальные и теоретические результаты позволяют сделать некоторые заключения. Во-первых, в кристаллах и(МЬ03 возможно образование нестационарной топографической решетки не только на квадратичной, но и на кубичной нелинейности. Вероятно, что запись решеток показателя преломления Дп за счет фотовольтаического эффекта одновременно сопровождается записью решеток нелинейной восприимчивости среды. Во-вторых, система, состоящая из кристалла и приложенных элек-

Рнл * х0Е3 сов[(<» ? + ©IП- (к? + к| - к4 )г]

(6)

тродов, является накопителем заряда, созданного за счет внутренних процессов при прохождении светового излучения, в том числе и за счет переполяризации кристалла. Заряд частично размещен в кристалле, а частично на поверхности. Этим объясняется возможность такой системы-конденсатора разряжаться при закорачивании электродов или помещении кристалла в жидкость.

В третьей главе рассматриваются экспериментальные результаты по фоторефрактивному и электрооптическому эффектам.

В параграфе 3.1 проводились исследования влияния температуры на величину двулучепреломления Дп, наведенного оптическим излучением для кристаллов ниобата лития, легированных железом и медью. Эксперименты проводились с использованием лазера ОКГ ЛГ-38, максимальная мощность излучения в кристалле 0.025 Вт, зондирующий луч поляризован под углом 45° к оптической оси кристалла. .

Получены кривые зависимости Дп от температуры Т. Приведена зависимость времени изменения Дп от температуры для кристаллов с различными примесями. Для кристаллов имЬ03:Ре увеличение температуры от комнатной до 100°С приводит к почти пятикратному уменьшению времени изменения Дп.

Нагрев кристаллов, легированных железом до температур 150°С и выше приводит не только к уменьшению Дп, но и к появлению нестационарности процесса записи.

При записи остро-фокусированным лучом возникновение фоторефракции в и№Оэ:Ре сопровождается некоторыми особенностями в релаксации Дп. Обычно релаксация Дп происходит через некоторое время после выключения записывающего луча. При острой фокусировке сразу после выключения наблюдается увеличение Дп, а лишь затем через некоторое время релаксация. Для чистых кристаллов УЫЬ03 никаких особенностей в процессе релаксации не наблюдалось.

В параграфе 3.2 элекгрооптический эффект исследовался методом наблюдения коноскопических картин в рассеянном излучении. Коноскопи-ческие фигуры наблюдались на экране без применения фокусирующей оптики. Расстояние до экрана выбирали 20 —40 см. В работе использовались прозрачные нелегированные кристаллы ниобата лития (размеры кристалла: длина 31 мм, расстояние между электродами 11 мм). Рассеи-ватель находился непосредственно у передней грани кристалла. Поляроиды скрещены.

При проведенных исследованиях было обнаружено новое явление, состоящее в том, что изменения п и Дп кристалла, полученные за счет электрооптического эффекта можно зафиксировать. Причиной фиксирования электрооптических изменений показателя преломления является перенос электрического заряда с электродов на кристалл и закрепление этого до-

полнительного заряда на кристалле. При поляризации кристалла, вероятно под действием высокого напряжения, в кристалле возникают дополнительные вакантные для электронов энергетические уровни (ловушки). На эти уровни и переходят электроны. Скорее всего эти уровни распределены по толщине кристалла неравномерно. Наибольшее их число, вероятно, находится на поверхности кристалла.

В четвертой главе приведены результаты изучения особенностей генерации разностых частот на кубичной нелинейности для кристаллов нио-бата лития, проседей теоретический расчет коноскопических фигур в рассеянном излучении.

В общем случае (параграф 4.1; 4.2), за счет нелинейной поляризации кристалла (кубичная нелинейность), возникают свободная и вынужденная волны на разностной частоте. На выходе из кристалла эти волны интерферируют и дают «нелинейные» коноскопические фигуры. Теоретически рассчитывались коноскопические фигуры на кубичной нелинейности для кристаллов, облучаемых вдоль оптической оси и перпендикулярно ей. Расчет проводился с учетом кубичной нелинейности для различных видов взаимодействий (ооо->е, оое-»е, оее-»е, еее-*е, ооо-»о, оое->о, оее-ю, еее-ю) для частот типа - а>г-

Для коллинеарного взаимодействия условие максимумов интенсивности излучения на частоте ац (со-, + ш2 - со3 = ю4) можно записать так:

(ПтСОву, + П2С05у2 - ПзСОУуз - п4со$у4) = гтШ21_, (7)

где т = 0, 1,3, 5... (т - число полуволновых слоев); п,- и ^ - показатели и углы преломления для частот со, 0 = 1, 2, 3, 4); X - длина волны; I. - толщина кристалла.

Наиболее интересен случай, когда все частоты численно равны (си = =ш2 = ©з = со4). На такой процесс существенное влияние оказывают типы взаимодействий и компоненты тензора нелинейной восприимчивости. Наиболее эффективно процесс преобразования частоты выполняется при взаимодействиях типа ооо-ю, еее->е, еоо->е, оее->о, еое->о, оео->е, причем условия фазового синхронизма в этих случаях выполнены в любом направлении в кристалле. По результатам исследований можно судить, что для остальных видов взаимодействий синхронизм возможен лишь вдоль оптической оси, тогда как векторные взаимодействия возможны в любых направлениях в кристалле.

Расчет показал, что коноскопические фигуры в направлении оптической оси имеют вид концентрических окружностей, а перпендикулярно к оси имеют вид двух семейств гипербол с общими асимптотами. Расчеты выполнены для взаимодействий, необеспеченных условиями синхронизма

(десять типов взаимодействий). Для всех типов взаимодействий коноско-пические фигуры похожи и отличаются лишь масштабом.

В параграфе 4.3 рассматривалось распределение интенсивности преобразованного излучения в зависимости от углов у (угол преломления) и р (азимутальный угол - угол между плоскостью падения и одной из физических осей кристалла). Для примера приведем несколько выражений для интенсивности преобразованного излучения. Взаимодействие ооо-ю обеспечено компонентами р????, Рц.,1 и Ригг- Интенсивность преобразованного излучения 1а ~ р2 /03 соэер (х-срез, отсчет от оси у). Вектор напряженности Е для падающего излучения находится в плоскости падения.

Взаимодействие еее-*е обеспечено компонентами ¡З3333. Для такого взаимодействия интенсивность преобразованного излучения /и~ р2/03з/л6р (х-срез, отсчет от у). Взаимодействия оее~»о и еое-»о обеспечены компонентами Зпзэ и Рггзз. Интенсивность преобразованного излучения описывается выражением /а ~ р2 /03 соэ2р э/'л4р (х-срез, отсчет от у). Для г-срезов кристаллов выражения выглядят иначе. Взаимодействие ооо-»о (компоненты рцц и Ргггг)- Интенсивность излучения 1Ы ~ р2 /03 соз6у [1 --2соз2р 5/пгр]2. Такое взаимодействие возможно вдоль оптической оси и быстро спадает при увеличении угла у.

Взаимодействие еее-»е (компоненты Рзззз. Рззи, Рззгг = Рззи,, Рзгп, Рзггг = = -Рзгп- Интенсивность /а ~ /03 [Рзззз5/п8-/ + Рззи£/'л4у соз\ + р3211 5/'п2усо56у • • з/п2р (соб2р - 5//72р)]. Для данного типа взаимодействия излучение вдоль оптической оси кристалла не возбуждается, несмотря на то, что условия фазового синхронизма выполнены для любого направления.

Все излучения на частоте ш4 = со для данных типов взаимодействий интерферируют между собой. Помимо данных шести типов взаимодействий, значительный вклад вблизи оптической оси дают оставшиеся 10 типов взаимодействий, необеспеченные коллинеарным фазовым синхронизмом в объеме кристалла и имеющие коллинеарный синхронизм точно вдоль оптической оси кристалла.

Таким образом, вблизи оптической оси кристалла должна наблюдаться сложная интерференционная структура, обусловленная вкладом многих типов взаимодействий и многих компонент тензора нелинейной восприимчивости кристалла. Для кристалла ниобата лития имеется 14 компонент тензора нелинейной восприимчивости и 16 типов взаимодействий.

В пятой главе исследуется фоторефрактивное рассеяние лазерного излучения в легированных и нелегированных кристаллах ниобата лития.

В параграфе 5.1 приведены типичные картины полученного фотореф-рактивного рассеяния в нелегированных кристаллах ШЬ03. Индикатриса рассеяния нестабильна, с течением времени определенным образом видоизменяется. На экране видно, что луч лазера, прошедший через кристалл и соответствующий необыкновенному лучу, сильно трансформиру-

12

ется (в основном вытягивается вдоль оси, параллельной полярной оси кристалла). Обыкновенный луч почти не деформируется. Через несколько секунд появляется диффузное рассеянное излучение, индикатриса рассеяния этого излучения вытянута вдоль полярной оси, вектор Е параллелен полярной оси;

В случае, когда лазерное излучение (ЛГ106М - аргоновый лазер) фокусируется в нелегированный кристалл линзой с фокусным расстоянием 96 мм, получаем на экране другую картину. Характерно, что индикатриса диффузного.рассеяния излучения не симметрична относительно лазерного луча, проходящего через кристалл, то есть один из лепестков рассеяния имеет большие размеры, чем другой. Через 60 секунд облучения это различие увеличивается. Видно, что соотношение мощностей диффузного рассеяния, идущего в лепестки, зависит от положения лазерного пучка относительно полярной оси кристалла и времени облучения кристалла.

При облучении кристалла-удвоителя частоты излучения (X = 1.064 мкм) или кристалла х-среза на экране, находящемся на значительном расстоянии от кристалла, регистрируется кольцевая структура (полукольца). С течением времени диаметр полуколец увеличивается. Период возникновения колец зависит от мощности лазерного излучения и довольно стабилен во времени. Мы полагаем, что появление в излучении конусов (на экране - колец) связано с наличием векторных взаимодействий волн в фокусируемом пучке. В этом случае излучение максимально переизлучается в направлениях векторного синхронизма - конусах и на экране создает кольца. Диаметр колец не может оставаться постоянным в связи с накоплением за счет фотовольтаического эффекта, заряда (разности потенциалов), который изменяет показатель преломления кристалла, а, следовательно, и условия синхронизма.

В параграфе 5.2 рассеяние в легированных кристаллах рассматривается для случаев фокусированных и нефокусированных пучков лазерного излучения. Получены практически все виды фоторефрактивного рассеяния, описанные в литературе. При использовании излучения гелий-кадмиевого лазера мощностью 40 мВт луч, прошедший через кристалл (х-срез, 0.05% Ре), образует на экране центральное пятно, которое через несколько секунд начинает расплываться и деформироваться. Область луча лазера на экране разбивается на большие точки, черточки. Через некоторое время часть этой картины исчезает скачком. Затем картина восстанавливается. Бывает, что часть пятен в области луча скачком перемещается на некоторое расстояние. Все наблюдаемые скачки в структуре луча сопровождаются высокочастотным электрическим импульсом. При мощности лазерного излучения 1Вт вся наблюдаемая картина рассеяния сильно подвижна. Структура все время «плывет». Есть области, где структура напоминает вытекающую жидкость из сосуда.

При фокусировании излучения (Р = 96 мм) в легированный кристалл спекл-структура становится еще более подвижной. Есть в рассеянии области, где следуют беспрерывные скачки с частотой 5 * 20 скачков в минуту. В области центрального пятна (у-срез, 40 мВт) иногда наблюдалась кольцевая структура на фоне пятен, черточек и других элементов структуры луча. Диаметр кольца постепенно растет, достигая максимального размера, а затем скачком диаметр кольца уменьшается; после повторного скачка диаметр уменьшается еще больше, а потом снова постепенно диаметр кольца растет до максимальных размеров и процесс повторяется снова. Отметим, что во всех случаях кольцевая структура появляется только при фокусировании излучения в кристалл.

В параграфе 5.3 рассмотрено селективное рассеяние на кубичной нелинейности для взаимодействия типа со5 + ш2 - и»3 = ш4. Частоты принимались равными, то есть Ю} = сог = ©з = га, со4 = ю.

В эксперименте для ооо->е взаимодействия наблюдается селективное рассеяние ш4 = о в виде конуса излучения. Угловой диаметр конуса 42-^45° (на экране кольцо определенного диаметра). Диаметр и ширина кольца не остаются постоянными. С увеличением мощности излучения кольцо становится более направленным. Иногда диаметр кольца скачком изменяется, а затем медленно уменьшается (или увеличивается).

Предположено, что данный вид селективного рассеяния обеспечен фазовым синхронизмом за счет векторных взаимодействий падающего излучения с излучением, рассеянным в кристалле. Проведен расчет угла векторного синхронизма для ооо-»е взаимодействия, который определяет угловой диаметр конуса. Теоретические расчеты для углового диаметра конуса рассеянного излучения дают величину, близкую к эксперименту (40°). Данный тип селективного рассеяния, как это отмечено и в других работах, появляется через 1*3 минуты. С течением времени оно приобретает окончательную форму. Если облучение прервать и через некоторое время луч направить в ту же точку кристалла, то рассеяние появляется сразу. Можно предположить, что при наличии в кристалле условий фазового синхронизма, величина необходимой соответствующей компоненты нелинейной восприимчивости очень мала и сразу не обеспечивает данный нелинейный процесс. Лишь через некоторое время, под действием падающего излучения происходит увеличение нелинейной восприимчивости и ее запись до величины, обеспечивающей данное рассеяние.

Изучены особенности векторных взаимодействий для процесса со4 = =2со - ш. Вычислены углы векторных взаимодействий в зависимости от угла распространения излучения в кристалле и от длины волны используемого излучения.

Для процесса селективного рассеяния еее-иэ типа, впервые обнаруженного Ю.М.Карпецом, приведены новые особенности рассеяния. За

светлым кольцом (кольцо с четырьмя разрывами) с внешней стороны на фоне слабого рассеянного излучения обнаружено темное (черное) теневое кольцо. Высказаны предположения о природе кольца.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1.Эффекты оптического выпрямления и фотовольтаический возможны как на квадратичной, так и на кубичной нелинейностях. На кубичной нелинейности фотовольтаический эффект возникает за счет асимметрии используемых оптических частот. Фотовольтаический эффект приводит к изменению показателей преломления кристалла пх, пу, пг. Варианты изменения п зависят от выбора компонент тензора фотовольтаического-эффекта, при этом кристалл может оставаться одноосным либо становиться двуосным.

2. Наиболее вероятно, что одновременно с записью на кубичной нелинейности топографических решеток в кристалле происходит запись решеток нелинейной восприимчивости.

3. Для легированных кристаллов ниобата лития время изменения Дп может регулироваться количеством и типом примесей. 1

4. Под действием постоянного электрического поля, приложенного к. кристаллу, возникают условия, способствующие закреплению изменений ДП. , '

5. Рассчитаны коноскопические фигуры с учетом наличия кубичной нелинейности для различных видов взаимодействий (для частот типа 2ш-(о), Коноскопические фигуры в направлении оптической оси имеют'вид концентрических окружностей, а перпендикулярно ей - двух семейств гипербол с общими асимптотами.

6. Интенсивность преобразованного излучения сложным образом зависит от угла падения и азимутального угла в связи с наличием большого числа компонент тензора кубичной нелинеййости и большого числа (16) типов взаимодействий.

7. Впервые зарегистрирована нестабильная кольцевая структура для х-и у срезов кристалла. Появление колец связано с наличием векторных взаимодействий в фокусируемом пучке.

8. Проведен расчет угла векторного синхронизма для ооо-»е взаимодействия селективного рассеяния, который определяет угловой диаметр преобразованного излучения. Теоретические расчеты согласуются с полученными экспериментальными данными.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ

1. Фоторефрактивное рассеяние света в элементах оптических линий связи/ О.В.Скоблецкая, В.И.Строганов, Ю.М.Карпец и др.// Транспорт и связь.- 4.2; Межвуз.сб.научн.тр. - Хабаровск: ДВГАПС, 1994. - С.115-118.

2. Рассеяние света в оптических линиях связи на транспорте/ О.В.Скоблецкая, И.С.Кривенький, Л.Л.Коваленко и др.// Проблемы транспорта Дальнего Востока: Тезисы докладов Дальневосточной научно-практич. конфер.-Владивостйк, 1995. - С. 100.

3. Скоблецкая О.В. Классификация и анализ фоторефракционных эффектов рассеяния// Повышение' эффективности работы железнодорожного транспорта Дальневосточного региона: Тезисы докладов 39-й научно-техн. конфер. - Хабаровск: ДВГАПС, 1995. - С. 117.

4. Скоблецкая О.В., Тимохин М.В. Некоторые экспериментальные особенности фоторефракгивного рассеяния// Повышение эффективности работы железнодорожного транспорта Дальневосточного региона: Тезись докладов 39-й научно-техн. конфер. - Хабаровск: ДВГАПС, 1995. - С.184.

5. Интерференция немонохроматического излучения в кристаллически пластинах/ О.В.Скоблецкая, И.С.Кривенький, Л.Л.Коваленко и др.// Материалы 41-й итоговой научной конференции.-Вып.34. - Хабаровск: ХГПУ 1995. - С.46.

6. Скоблецкая О.В. Фоторефракционный эффект в кристаллах ниобатг лития// Материалы 41-й итоговой научной конференции. - Хабаровск ХГПУ, 1995,- С.51.

7. Поляризационно-анизотропное фоторефрактивное рассеяние О.В.Скоблецкая, Ю.М.Карпец, В.И.Строганов и др.// Материалы 42-й ито говой научной конференции. - Хабаровск: ХГПУ, 1996. - С.27 -28

8. Скоблецкая О.В., Строганов В.И. Селективное фоторефракционног рассеяние// Оптические и электрические процессы в кристаллах: Межвуз сб. научн. тр. - Хабаровск: ДВГАПС, 1996. - С.94 - 97.

9. Скоблецкая О.В., Карпец Ю.Мм Строганов В.И. Нелинейные коноско пические фигуры на кубичной нелинейности//Молодежь и наука - регио нам: Тезисы докл. Междунар. конфер. молодых ученых Сибири, Дальнегс Востока и стран АТР. - Хабаровск: ХГАЭиП,1997. - С.21-22

10. Оптические и электрические аномалии новых нелинейных кристал лов/ О.В.Скоблецкая, .В.И.Строганов, В.В.Крищтоп и др.//Повышение эф феетивности работы железнодорожного транспорта Сибири и Дальней Востока: Тезисы докладов 40-й . научно-техн. конфер. - Хабаровск ДВГАПС, 1997.-С. 194.

11. Скоблецкая О.В., Карпец Ю.М., Строганов В.И. Фотовольтаически! эффект, фоторефракция и рассеяние света с некогерентным тепловы? излучением//Повышение эффективности работы железнодорожной

i6

транспорта Сибири и Дальнего Востока: Тезисы докладов 40-й научно-техн. конфер. - Хабаровск: ДВГАПС, 1997. - С. 194 - 195.

12. Скоблецкая О.В., Алексеева Л.В., Криштоп В.В. Рефракция показателя преломления в кристалле LiNbCV/ Проблемы транспорта Дальнего Востока: Материалы 2-й Международной конференции. - Владивосток, 1997.-С.135.

13. Фоторефракция в оптических кристаллах/ О.В.Скоблецкая, Л.Л.Коваленко, Г.П.Стариченко и др.// Проблемы транспорта Дальнего Востока: Материалы 2-й Международной конференции. - Владивосток, 1997. -С.135.

14. Фоторефракционное рассеяние света/ О.В.Скоблецкая,

A.А.Мамаев, А.В.Громов и др.// Проблемы железнодорожного транспорта: Межвуз. сб. научн. тр. - Хабаровск: ДВГАПС, 1997. - С. 109 - 111.

15. Скоблецкая О.В., Карпец Ю.М., Строганов В.И. Особенности фото-рефрактивного рассеяния света в чистых и легированных кристаллах нио-бата лития// Нелинейные процессы в оптических кристаллах: Межвуз. сб. научн. тр. - Хабаровск: ДВГУПС, 1997. - С.4-16.

16. Фотовольтаический эффект на кубичной нелинейности/ О.В.Скоблецкая, В.И.Строганов, О.В.Кравченко и др.// Нелинейные процессы в оптических кристаллах: Межвуз. сб. научн. тр. - Хабаровск: ДВГУПС, 1997.-С. 17-22.

17. Скоблецкая О.В., Повх И.В., Строганов В.И. Аномальный фотовольтаический эффект и эффект оптического выпрямления в кристаллах нио-бата лития// Нелинейные процессы в оптических кристаллах: Межвуз. сб. научн. тр. - Хабаровск: ДВГУПС, 1997. - С.22-27.

18. Запись в кристалле ниобата лития электрооптических изменений показателя преломления/ О.В.Скоблецкая, В.И.Строганов, В.В.Криштоп и др.// Нелинейные процессы в оптических кристаллах: Межвуз. сб. научн. тр. - Хабаровск: ДВГУПС, 1997. - С.27-34.

19. Преобразование широкополосного излучения в нелинейных оптических кристаллах на кубичной нелинейности/ О.В.Скоблецкая,

B.И.Строганов, О.В.Кравченко и др.// Нелинейные процессы в оптических кристаллах: Межвуз. сб. научн. тр. - Хабаровск: ДВГУПС, 1997. -С.57-61.

20. Скоблецкая О.В., Стариченко Г.П., Коваленко Л.Л. Влияние температуры кристалла ниобата лития на фоторефракцию// Нелинейные процессы в оптических кристаллах: Межвуз. сб. научн. тр. - Хабаровск: ДВГУПС, 1997.-С.61-68.



п / J / /

ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

На правах рукописи

Скоблецкая Оксана Васильевна

ФОТОИНДУЦИРОВАННОЕ РАССЕЯНИЕ СВЕТА В ЛЕГИРОВАННЫХ И НЕЛЕГИРОВАННЫХ КРИСТАЛЛАХ

НИОБАТА ЛИТИЯ

01.04.05-Оптика

диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель:

д-р физ.-мат. наук В.И.Строганов

Консультанты:

канд. техн. наук О.Л.Рудых

канд. физ.-мат. наук Ю.М.Карпец

Хабаровск 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.....................................................................4

ГЛАВА 1. ФОТОРЕФРАКЦИЯ, ФОТОРЕФРАКТИВНОЕ РАССЕЯНИЕ И ГЕНЕРАЦИЯ РАЗНОСТНЫХ ЧАСТОТ НА КУБИЧНОЙ НЕЛИНЕЙНОСТИ......................................................................10

1.1. Фотовольтаический эффект..........................................................10

1.2. Электрооптический и фоторефрактивный эффекты..................16

1.3. Генерация разностных частот на кубичной нелинейности ... 27

1.4. Селективное и неселективное фоторефрактивное рассеяние .. 31

ГЛАВА 2. ФОТОВОЛЬТАИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ В КРИСТАЛЛАХ .. 37

2.1. Фотовольтаический эффект на квадратичной и кубичной нелинейностях..............................................................................37

2.2. Фотовольтаический эффект в легированных и нелегированных кристаллах ЫЫЬОз........................................................................47

ГЛАВА 3. ФОТОРЕФРАКТИВНЫЙ ЭФФЕКТ В КРИСТАЛЛАХ

НИОБАТА ЛИТИЯ...............................................53

3.1. Фоторефрактивный эффект в легированных кристаллах............53

3.2. Особенности электрооптического эффекта в кристаллах ниоба-

та лития....................................................................................................55

ГЛАВА 4. ГЕНЕРАЦИЯ РАЗНОСТНЫХ ЧАСТОТ НА КУБИЧНОЙ

НЕЛИНЕЙНОСТИ.................................................70

4.1. Генерация разностных частот........................................................71

4.2. Коноскопические фигуры на разностной частоте........................72

4.2. Коноскопические фигуры на разностной частоте............ 72

4.3. Интенсивность излучения на разностной частоте............ 77

ГЛАВА 5. ФОТОРЕФРАКТИВНОЕ РАССЕЯНИЕ ПРОХОДЯЩЕГО

ЧЕРЕЗ КРИСТАЛЛ ИЗЛУЧЕНИЯ.......................... 83

5.1. Фоторефрактивное рассеяние света в нелегированных кристаллах ниобата лития......................................... 83

5.2. Фоторефрактивное рассеяние света в легированных кристаллах ниобата лития ......................................... 87

5.2.1. Рассеяние в несфокусированных пучках лазерного излучения............................................ 87

5.2.2. Рассеяние в сфокусированных пучках лазерного излучения ................................................ 91

5.3. Селективное рассеяние света в нелинейных оптических кристаллах ................................................... 95

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.............................................. 102

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..................................... 103

Введение

Успешное развитие лазерной техники позволило реализовать многочисленные эксперименты в области нелинейной оптики. Практически любой эффект нелинейной оптики может быть положен в основу оптических приборов, которые приобретают новые уникальные свойства и значительно расширяют свои характеристики [1-6].

В настоящее время большое внимание уделяется исследованию сегнето-электрических фоторефрактивных сред и особенностям взаимодействия этих сред с лазерным излучением при различных внешних факторах. Считается, что фоторефрактивные среды являются перспективными для создания на их основе новых элементов информационной техники [1-6].

В фоторефрактивных средах реализуется одновременно несколько оптических эффектов. Под действием оптического излучения происходит заброс электронов в зону проводимости (фотопроводимость). Электроны из-за отсутствия центра симметрии среды, перемещаются в образце, а затем закрепляются на особых уровнях. В местах закрепления электронов возникают сильные электрические поля (фотовольтаический эффект) [7-42]. Под действием электрического поля в образце изменяется показатель преломления (фоторефрактивный эффект) [26, 39, 42-84].

Сопутствующими данным эффектам являются генерация излучения разностной частоты (а>4 = со + со - со), с частотой 004, совпадающей с частотой со падающего на образец излучения (фоторефрактивное рассеяние) и нестационарное изменение доменной структуры образца во времени [85-100].

Эти эффекты оказывают друг на друга взаимное влияние, усложняют протекание каждого процесса, а нестабильность доменной структуры приводит к изменению ряда характеристик процессов во времени.

Ряд данных эффектов интенсивно исследовался; в литературе, в журнальных статьях приведены многочисленные результаты. Но несмотря на это, в целом, проблема взаимного влияния эффектов друг на друга, выявление особенностей протекания процессов, учет неизвестных деталей этих процессов вызывают глубокий интерес и требуют дальнейшего изучения.

Одним из наиболее эффективных фоторефрактивных кристаллов является кристалл ниобата лития (1л№>03). Эти кристаллы обладают высокими нелинейными, электрооптическими, пироэлектрическими, фотогальваническими, пьезоэлектрическими свойствами, что позволяет применять их для создания устройств преобразования частоты оптического излучения, при голографиче-ской записи информации.

Поскольку практическое применение кристаллов 1л№Юз и других нелинейных сред довольно часто затруднено сопутствующими эффектами, то становятся актуальными исследования, направленные на выяснение природы различных "мешающих" оптических эффектов. Также становится важным поиск путей управления свойствами различных нелинейных материалов.

Можно отметить, что фоторефрактивные изменения в сегнетоэлектрических

н

средах имеют связь со зачительным фотоиндуцированным рассеянием света и его разновидностями [95-119]. В настоящее время считается установленным, что различные оптические повреждения и фотоиндуцированное рассеяние света в нелинейных фоторефрактивных кристаллах обусловлено тем, что в области облучения возникает электрическое поле, за счет которого происходит изменение показателя преломления.

Наиболее ярко эффекты фоторефракции, фоторефрактивного рассеяния и сопутствующие эффекты выражены в кристаллах 1лМЮз. Для выявления особенностей данных эффектов целесообразно провести исследования на одном

кристалле, кристалле ниобата лития, используя чистые и легированные кристаллы.

Основной целью работы являются систематические исследования закономерностей и особенностей протекания фотовольтаичекого и фоторефрактивно-го эффектов, фоторефрактивного рассеяния света и сопутствующих процессов в легированных и нелегированных кристаллах ниобата лития.

Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены следующие задачи.

1. Проведен систематический анализ литературных данных по наблюдаемым эффектам в легированных и нелегированных кристаллах ниобата лития.

2. Рассмотрена аналогия между фотовольтаическим эффектом и эффектом оптического выпрямления.

3. Проведен анализ фотовольтаического эффекта на кубичной нелинейности для кристалла ниобата лития.

4. Исследованы и зарегистрированы ряд особеностей протекания фотовольтаического эффекта в легированных и нелегированных кристаллах ниобата лития.

5. Исследованы характерные особености записи и считывания фоторефрактивного изменения показателя преломления в легированных кристаллах ниобата лития.

6. Изучен фоторефрактивный эффект при острой фокусировке излучения в кристалл.

7. Обнаружен и исследован эффект закрепления электрооптических изменений показателя преломления в кристаллах 1ЛМЮз.

8. Рассмотрена генерация разностных частот на кубичной нелинейности.

9. Экспериментально исследовано фоторефрактивное рассеяние света в легированных и нелегированных кристаллах ниобата лития в сфокусированных и несфокусированных пучках лазерного излучения.

б

10. Исследована нестационарная кольцевая структура в пучках рассеянного излучения.

Таким образом, основное внимание в работе уделено исследованию нелинейных оптических эффектов в кристаллах ниобата лития, взаимодействию излучений с различными частотами на кубичной нелинейности.

Все полученные в диссертационной работе научные результаты и используемые методы могут служить основой для создания новых нелинейно-оптических элементов и на их основе приборов нового типа, применяемых в различных оптических линиях связи, для создания новых запоминающих устройств.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы, включающего 155 наименований. Работа содержит 117 страниц, включая 27 рисунков.

Первая глава посвящена обзору литературы по вопросам различных нелинейных оптических явлений. В частности рассмотрены различные модели и закономерности фотовольтаического и фоторефрактивного эффектов, особенности электрооптического эффекта. Проведен обзор литературных данных по экспериментальному исследованию фотоиндуцированного рассеяния света, его разновидностей и особенностей.

Во второй главе приведены исследования фотовольтаического эффекта в кристаллах ниобата лития. Изучается влияние различных нелинейных компонент на протекание данного эффекта. Исследования проводились на легированных кристаллах ниобата лития.

В третьей главе рассматриваются экспериментальные результаты по фото-рефрактивному и электрооптическому эффектам. Исследуются температурные и временные зависимости двулучепреломления в легированных кристаллах ниобата лития. Экспериментально и теоретически изучались причины фиксирования электрооптических изменений показателя преломления в нелинейных кристаллах.

Четвертая глава посвящена теоретическим расчетам коноскопических фигур и интенсивности рассеянного излучения на разностных частотах с учетом ■ различных видов взаимодействий лучей падающего излучения. Рассмотрена возможность генерации разностных частот и реализациии различных нелинейных взаимодействий на кубичной нелинейности.

В пятой главе исследуется фоторефрактивное рассеяние лазерного излучения в легированных и нелегированных кристаллах ниобата лития. Рассчитаны характеристики селективного рассеяния на кубичной нелинейности для условий фазового синхронизма для кристаллов ниобата и иодата лития.

В заключении приведены основные результаты диссертационной работы.

На защиту выносятся следующие положения.

1. Между эффектом оптического выпрямления и фотовольтаическим существует глубокая аналогия, основанная на общих закономерностях протекания процессов как на квадратичной, так и на кубичной нелинейностях.

2. Фотовольтаический эффект на кубичной нелинейности в кристаллах ниобата лития возникает за счет асимметрии используемых оптических частот.

3. Кольцевая нестационарная структура в фоторефрактивном рассеянии обусловлена нестабильностью доменной системы кристалла и возможна для любых срезов (например, х, у или г).

4. При возбуждении разностных частот СО4 = 2со — со = со на кубичной нели- • нейности нефокусируемыми коллинеарными пучками излучения условия фазового синхронизма осуществляются для шести типов взаимодействии для любого направления в кристалле. Для оставшихся десяти взаимодействий фазовый синхронизм реализуется только вдоль оптической оси, но зато для этих взаимодействий в любом направлении в кристалле могут быть выполнены условия векторного синхронизма.

5. В кристалл ниобата лития можно записать не только топографические дифракционные решетки, но и искусственные нелинейные элементы.

Основные результаты работы изложены в статьях [120-139] и докладывались:

1) на Дальневосточной научно-практической конференции "Проблемы транспорта Дальнего Востока", Владивосток, 1995 г.;

2) 39-й научно-технической конференции "Повышение эффективности работы железнодорожного транспорта Дальневосточного региона", ДВГУПС, Хабаровск, 1995 г.;

3) 41-й, 42-й и 43-й научных конференциях ХГПУ, Хабаровск, 1995, 1996, 1997г.;

4) 11-й Международной Вавиловской конференции по нелинейной оптике, Новосибирск, 1997 г.;

5) Научно технической конференции ДВГУПС, Хабаровск, 1997 г.;

6) 2-й Международной конференции "Проблемы транспорта Дальнего Востока", Владивосток, 1997 г.;

7) Международной научной конференции молодых ученых Сибири и Дальнего Востока и стран АТР "Молодежь и наука - регионам", Хабаровск, 1997 г.

Часть научных результатов получена при выполнении фундаментальной научно-исследовательской темы ДВГУПС N 1049 "Исследования нелинейных и сопутствующих им линейных процессов в новых оптических кристаллах".

ГЛАВА 1. ФОТОРЕФРАКЦИЯ, ФОТОРЕФРАКТИВНОЕ РАССЕЯНИЕ И ГЕНЕРАЦИЯ РАЗНОСТНЫХ ЧАСТОТ НА КУБИЧНОЙ НЕЛИНЕЙНОСТИ

1.1. ФОТОВОЛЬТАИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ

Появление электрического тока в среде обычно вызвано наличием электрического или магнитного полей, а при освещении оптическим излучением связано либо с наличием градиентов температурных полей, градиентом концентрации примесей, либо с градиентом напряженности световых полей.

В последние годы обнаружен фотовольтаический эффект в кристаллах. Этот эффект заключается в том, что при однородном освещении кристалла в нем наблюдается возникновение стационарного тока и кристалл становится источником фото-эдс. Если освещение производится в режиме разомкнутых электродов, то на них генерируется аномально большое фотонапряжение и =

л г

=10 10 В. Фотовольтаический эффект возможен во всех средах без центра " симметрии [12, 78] или в центросимметричной среде при отсутствии симметрии по частотам [89, 90, 93, 140, 141].

Фотовольтаический эффект был обнаружен Глассом с сотрудниками [9 -12]. Под действием освещения наблюдалось возникновение постоянного электрического тока в кристаллах. В [9 -13] впервые стационарные фотовольтаиче-ские токи были связаны с наличием в кристалле собственного выделенного направления - полярной оси.

Экспериментально Глассом с сотрудниками было показано [9 - 13], что постоянные фототоки линейно зависят от интенсивности падающего излучения.

Сам фотовольтаический ток является проявлением асимметрии элементарных электронах процессов, которые сказываются на кинетике электронов в асимметричных средах.

К средам, не обладающим симметрией к пространственной инверсии относятся не только кристаллы, но и изотропные жидкости и газы, содержащие правые или левые молекулы (то есть наличие оптической активности). Источниками неравновесности могут быть свет, звук, потоки частиц, зарядов, тепла и других физических величин [8].

Факт существования фотовольтаического эффекта можно рассмотреть на примере нескольких моделей.

1. Модель асимметричных потенциальных ям [8, 16].

Асимметрия потенциальной ямы приводит к асимметричному выбросу электрона с уровня примеси в зону проводимости и к стационарному фото-вольтаическому току. Асимметрия потенциала примесного центра определяется направлением спонтанной поляризации, а, следовательно, плотность фотовольтаического тока II для интенсивности падающего излучения I с частотой ю:

= еа1(р+1+ - р.1.)/<оП, (1.1)

где 1 - свободный пробег электрона; а - коэффициент поглощения; р± - вероятности движения электрона по направлениям волнового вектора.

По [13] для фотовольтаического тока было получено:

1 = к1а, * (1.2)

где к - постоянная Гласса

к = е(1+р+ - 1_р_ + 1'+р'+ - 1'_р'_)/соЬ. (1.3)

Данная модель в [8] учитывает три вклада в возникающий ток: поглощение, рекомбинацию и рассеяние. Учитывая все вклады, фотовольтаический ток определяют как:

и

1Ф = е-^(у0-ут)^ (1.4)

ЙсоГ

где Уо - скорость частицы, появляющейся после акта поглощения; Г - время

XI

ионизации за счет столкновения; —--число частиц; ут - скорость термализо-

ЙсоГ

ванных частиц; £ - характеризует степень асимметрии потенциала. Знак тока зависит от соотношения между у0 и ут.

2. Модель фотоиндуцированных флуктуаций [17-20]. Предполагается, что локализация возбужденного электрона в ловушке может привести к локальному изменению спонтанной поляризации, то есть к ло- . кализованной флуктуации. Из-за изменения спонтанной поляризации Р5 появляется электрическое поле, в котором передвигаются электроны, а, следовательно, происходит появление фотовольтаического тока.

По [18]

]фв = АР8епцУЫ/8, (1.5)

где N и п - концентрация локализованных флуктуаций и свободных неравновесных электронов; ц - подвижность носителя.

Существенно, что в модели фотоиндуцированных флуктуаций фотоволь- • таический ток обусловлен движением носителя под действием отличного от нуля макроскопического поля, о чем можно судить из экспериментальных данных [17,20].

3. Асимметрия функции распределения неравновесных электронов.

В сегнетоэлектрике существует свой собственный [9, 13] фотовольтаиче-ский ток, по порядку величины близкий к примесному. Этот ток возникает за

счет асимметрии рассеяния на примесях и фононах. Также асимметрия электронных процессов в сегнетоэлектрике связана с асимметричной формой потенциала примесных центров и их одинаковой ориентацией в решетке по отношению к направлению спонтанной поляризации.

Не только возбуждение и рекомбинация [19, 21], но и рассеяние на диполь-ном центре с асим�