Исследование электрооптических и нелинейнооптических преобразователей широкополосного излучения на основе ниобата и иодата лития тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

РГВ од

1 4 дзг гы

На правах рукописи

Криштоп Виктор Владимирович

ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИХ

И НЕЛИНЕЙНООПТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ШИРОКОПОЛОСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ НИОБАТА И ИОДАТА ЛИТИЯ

01.04.05-Оптика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Хабаровск 2000

На правах рукописи

Криштоп Виктор Владимирович

ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИХ И НЕЛИНЕЙНООПТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ШИРОКОПОЛОСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ НИОБАТА И ИОДАТА ЛИТИЯ

01.04.05 - Оптика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Хабаровск 2000

Работа выполнена в Дальневосточном государственном университете путей сообщения

Научные руководители:

доктор фю.-мат. наук, профессор В. И. Строганов

кандидат хим. наук, доцент Г. П. Новиков

Научный консультант:

кандидат физ.-мат.наук, доцент " АВ.Емельяненко Официальные оппоненты:

доктор физ.-мат. наук, профессор , С.В.Соловьев

доктор геол.-минерал.наук, профессор, Л.А.Маслов

кандидат физ.-мат. наук

Ведущая организация:. Институт горного деда ДВО РАН, гаХзоаровск

Защита состоится//июня 2000 года в ¿é час. на заседании диссертационного совета К. 114. 12.01. при Дальневосточном государственном университете путей сообщения по адресу: 680021, Хабаровск, ул. Серышева, 47, ауд. 204

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

Автореферат разослан мая 2000 года.

Ученый секретарь диссертационного

совета К. 144. 12.01 /

кандидат техн. наук, доцент Т. Н. Шабалина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Нелинейно-оптические кристаллы пщррко используются в качестве преобразующих и управляющих элементов во многих оптоэлектронных приборах [1]. При распространении света, излучаемого лазером или мощным нелазерным источником, напряженность поля световой волны становится соизмеримой с внутренними полями в кристаллах. Это приводит к нелинейному взаимодействию поля световой волны со средой, при котором нарушается принцип суперпозиции и создаются условия для генерации гармоник, суммарных и разностных частот.

Генерация суммарных частот используется в "ап-конверторах",. то есть преобразователях частоты вверх, с их помощью оптические сигналы ИК диапазона трансформируются в видимую облает^, что применяется для визуализации тепловых объектов [2]. В особенности, в последнее время .вызывают интерес процессы преобразования по частоте излучения с широким спектром в нелинейных оптических кристаллах. Было показано, что при одинаковых уровнях накачки эффективность преобразования широкополосного излучения может быть даже значительно выше, чем для лазерного излучения [3]. Особенно много работ выполнено с кристаллом 1лЮз. Данные исследования позволяют надеяться на создание нового технического направления, связанного с разработкой нелинейных опгиче-ск1к приборов, работающих с нелазерным излучением.

В ряде случаев при использовании излучения с широким спектром получены неожиданные научные результаты. Однако в целом данное направление, например, для кристаллов КТР и ЫМзОз, не исследовано, а поэтому требует дальнейших исследований.

Процессы преобразования излучения в оптическом кристалле подвержены влиянию внешних воздействий. При приложении внепшего электрического поля, локальном или общем изменении температуры кристалла, прежде всего, изменяются показатели преломления обыкновенного и необыкновенного лучей, что сказывается на синхронных взаимодействиях световых волн, а, следовательно, и на спектре преобразованного излучения.

С другой стороны, в последнее время очень большое внимание, уделяется созданию новых необычных, сред для нелинейной оптики, например, композиционных материалов полимер-проводник. Их свойствами можно управлять в широких пределах, изменяя процентное соотношение наполнителя и матрицы, размеры частиц наполнителя и так далее. Такие материалы используются в качестве оптических фильтров, светочувствительных сенсоров и интересны в плане фундаментальных исследований [4]. Применение композиционных материалов в физических исследованиях, равно как и синтез этих материалов в промышленных масштабах, представляют интерес также и вследствие широких возможностей микролегирования и значительного удешевления технологии из-

готовления конечного продукта по сравнению со стоимостью крупных оптически однородных кристаллов. = ! > - ' - • : ^

В связи с вышесказанным, исследования особенностей преобразования излучения с широким спектром в кристаллах 1лЫЬОз, КТР, Ш03 и других средах, например, в композиционных системах, а так же изучение влияния воздействий внешнего электрического поля и температуры на оптические свойства данных материалов являются актуальными.

Цель и задачи работы

Целью работы является исследование закономерностей преобразования по частоте широкополосного излучения' в нелинейноопгических кристаллах, исследование зависимости оптических и электрических свойств композиционных систем политетрафторэтилен-графит (ПТФЭ-Т) от процентного соотношения матрица-наполнитель, а также исследование влияния внешних воздействий на оптические свойства нелийейных кристаллов и композитов ПТФЭ-Г.

Для достижения указанной цели в работе поставлены следующие задачи:

- Исследовать закономерности преобразования по частоте широкополосного1 Излучения в нелинейных оптических кристаллах КТР, 1лЫЬОз, ШОз.

- Выяснить зависимость эффективности преобразования излучения в кристаллах от частоты используемого излучения, а также исследовать влияние внешнего электрического поля на характеристики преобразованного излучения.

- Изучить возможность одновременной регистрации интерференционных коноскопических картин кристаллов и изображения объектов.

- Выяснить возможность записи информации за счет наведенной внешним электрическим полем анизотропии в кристаллах.

-' Исследовать вольтамперные характеристики кристалла ниобата лития в области высоких и низких электрических напряжений.

- Рассмотреть влияние температуры и градиента температуры на оптические свойства кристаллов ниобата лития.

- Изучить оптические и электрофизические свойства нового нелинейного материала ПТФЭ - Г.

Методы исследования

Для достижения поставленной цели и задач использованы теоретические и экспериментальные методы исследования (фотоэлектрический, фотографический, спектроскопический, визуальное Наблюдение).

Научная новизна работы

1. Исследованы спектры преобразованного по частоте широкополосного ИК-излучения в ниобате лития, иодате лития и кристаллах КТР.

2. Предложен и реализован новый метод проверки качества нелинейнооп-тических кристаллов ниобата лития по характеру изменения эффективности

преобразования во вторую оптическую гармонику (ГВГ) при воздействии внешнего электрического поля.

3. Показано, что кристаллы LiNb03 позволяют довольно эффективно модулировать преобразованное излучение за счет изменения направления фазового синхронизма при воздействии электрического поля.

4. Впервые обнаружен и исследован новый эффект - эффект записи в кристалле ниобата лития электрооптического изменения показателей преломления.

5. Предложен и реализован новый метод наблюдения изображения объектов на фоне коноскопических фигур.

6. Впервые обнаружен эффект электрогирации в кристалле ниобата лития.

7. На примере кристалла ниобата лития рассмотрена возможность изучения процессов накопления и релаксации электрических зарядов в этом кристалле оптическими методами. Данная возможность подтверждена экспериментальными исследованиями.

8. Обнаружена периодическая структура коноскопических картин в кристаллах ниобата лития после неоднородного нагревания кристалла.

9. Обнаружено явление «сжатия» и «расширения» петли гистерезиса ПТФЭ-Г композитов в температурном диапазоне 20°С - 160°С.

Ю.Впервые обнаружена N- образная зависимость силы тока в композите от температуры при постоянном напряжении.

11.Выявлен туннельный характер проводимости в композиционных материалах в широком диапазоне температуры.

12. Установлено; что прозрачность ПТФЭ и композитов на его основе существенно зависит от технологии их изготовления.

Практическая ценность

Используемые методы и полученные в диссертационной работе результаты могут служить основой для создания приборов, применяемых для визуализации ИК-объектов; для нер^рущ^щи^, исследований и контроля объектов, в том числе и нелинейных кристаллов, а также для целей модуляции излучения видимого и ИК диапазонов, .

Апробация результатов

Основные результаты исследований были представлены на следующих научных конференциях:

1. 11-ой международной конференции по проблемам нелинейной оптики и лазерной техники. Новосибирск, 23 июня 1997 г.

2. Междун. науч. конф. молодых ученых Сибири, Дальнего Востока и стран АТР «Молодежь и наука - регионам». 19-20 мая 1997 г. Хабаровск.

3. Междун. симпозиуме (Первые Самсоновские Чтения) «Принципы и процессы создания неорганических материалов», Хабаровск, 12-16 мая 1998 г.

4. XVI Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике, «ICONO-98». Москва, 29 июня - 3 июля 1998 г.

5. Международной конференции «Выпускник НГУ и научно-технический прогресс». Новосибирск, 22-24 сентября 1999г.

6. Международной конференции молодых ученых и специалистов «Оптика-99». Санкт-Т1етербурГ,19-22 октября 1999г.

7. «Young people & scientific progress». The third international student's congress of the Asian Pacific Region countries. Vladivostok, Russia, 1999.

8. «Актуальные проблемы развития научно-технического прогресса в отрасли и на дорогах региона». Хабаровск, 24-26 октября 1997 г.

9. «Повышение эффективности работы жд транспорта Сибири и Дальнего Востока». Хабаровск, ДВГУПС, 1999."

10. «Молодежь и научно - технический прогресс». Владивосток, 1998 г.

11. III региональной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по физике полупроводниковых, диэлектрических и магнитных материалов. ИАПУ, Владивосток, 11-12 октября 1999 г.

127 «Физика: фундаментальные исследования, образование». Хабаровск, 1998 г. 13. 42-ой, 43-ей научной конференции. Хабаровский государственный педагогический университет. Хабаровск, 1996,1997 гг.

Публикации и ькллд автора

По результатам работы имеется 20 публикаций. Автор принимал непосредственное участие в подготовке и проведении экспериментов, обработке и обсуждении результатов. Большая часть экспериментов проведена автором самостоятельно.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Работа содержит 107 страниц машинописного текста, 24 рисунка, список литературы из 112 наименований.

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Выявлены и исследованы закономерности преобразования по частоте инфракрасного широкополосного излучения в видимую область спектра в кристаллах KIP, LiNb03, L1IO3. Эффективность преобразования резко возрастает при продвижении в коротковолновую область спектра, • г . V,

2. В кристаллах ниобата лития за счет Электрооптического эффекта изменяется направление фазового синхронизма' в'достаточно большой области углов (~2 - 2,5°), что позволяет модулирйвать излучение гармоники nd йнтенсивности или использовать методику сканирования частоты синхронизма для1 определения качества кристаллов.

3. В кристалле ниобата лития возможна запись и считывание электрооптических изменений показателя преломления.

4. При неоднородном нагреве, а затем охлаждении кристалла 1лМЬ03 в нем образуетсярешетка коноскоцических картин."

5. Экстремумы градус-амперной характеристики расположены в температурной области фазовых переходов I и П рода политетрафторэтилена в составе ПТФЭ-Г композиционного материала

6. Проводимость композитов ПТФЭ-Г имеет туннельный характер, а их коэффициент пропускания существенно зависит от технологии изготовления.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении диссертации обоснованы ее актуальность и научно-практическая значимость, определена цель, сформулированы защищаемые положения, приведен краткий перечень результатов, полученных автором.

В первой главе приведен обзор теоретических и экспериментальных работ по особенностям векторных взаимодействий в нелинейных оптических кристаллах, по преобразованию широкополосного излучения в кристаллах. Проведен анализ литературных данных по влиянию электрических и тепловых полей на оптические свойства кристаллов, описаны эффекты записи изменения оптических свойств кристаллов (фоторефракция, ренггенорефракция, формирование инверсных доменов и другие). Описаны оптические явления, происходящие в нелинейных гетероструктурах (фильтрация оптического излучения, аномальное рассеяние и поглощение света).

Во второй главе рассмотрены векторные и коллинеарные взаимодействия световых волн в нелинейных оптических кристаллах Ьй\ГЬ03, 1лЮ3, КТР.

Результаты экспериментов по преобразованию широкополосного излучения по частоте в кристалле иодата лития при различных значениях угла падения излучения по отношению к оптической оси кристалла приведены на рис.1. Показано, что максимум интенсивности в спектре преобразованного излучения возрастает при увеличении угла между оптической осью кристалла и осью сфокусированного падающего пучка ИК-лучей, при этом происходит смещение преобразованного спектра в сторону более коротких длин волн.

Рис.1. Спектры преобразованного в кристалле ПЮз (1,2,3) и КТР (4) ад-

излучения при различных значения угла между оптической осью и направлением основного излучения.

Значения углов, град: 0,45 0,5 0,55 X, мкм

1 - 38; 2 - 34; 3 - 30; 4 - 30 (плоскость ху)

■В кристалле KTiP04 (КТР) преобразованные в видимую область спектры имеют ступенчатую структуру (рисЛ). Вероятнее всего, «ступеньки>> в спектре связаны с изменением доменной структуры кристалла."

Для определенных областей спектра происходит выход из синхронизма или, наоборот, реализация синхронных взаимодействий. Судя по всему, перестройка доменной структуры происходит не плавно, а скачками, что и отображается в преобразованном спектре. Причиной перестройки доменной структуры могут быть достаточно высокая температура и достаточно сильные электрические поля теплового (ИК) фокусируемого в кристалл излучения.

Под воздействием внешнего электрического поля в кристаллах изменяются показатели преломления для обыкновенного и необыкновенного лучей вследствие электрооптического эффекта. Так как угол фазового синхронизма связан со значениями показателей преломления, то, как хорошо известно, можно управлять значением угла фазового синхронизма 9Ш, изменяя показатели преломления за счет элекгроошического эффекта. Значение этого угла определяется формулой [5]

Sin2 em= [(О-2 - (По2шГ2] / [(пе2юГ2-(п02и)-2], (i)

где нижние индексы обозначают тип волны (о - обыкновенная, е - необыкновенная); и - частота основного излучения, 2ю - частота второй гармоники..Эффективность генерации второй гармоники резко снижается при выходе значения угла синхронизма за пределы угловой полуширины синхронизма.

Показано, что, вырезав кристалл под углом синхронизма для некоторой длины волны, можно эффективно модулировать излучение на частоте второй гармоники в кристалле ниобата лития, выходя за пределы ширины фазового синхронизма наложением переменного внешнего электрического поля вдоль оси Z. Это становится возможным вследствие того, что полуширина фазового синхронизма достаточно мала (порядка нескольких-угловых минут), а угол синхронизма можно изменить на 2-2,5 градуса при напряженности электрического поля до 10 кВ/см.

Для кристаллов не очень качественных, имеющих дефекты, блоки, отличающиеся по направлению вектора спонтанной поляризации, угловая ширина синхронизма увеличивается (в2-5 раза по сравнению с монокристаллом). Поэтому свойство кристаллов изменять направление синхронизма под действием внешнего электрического поля можно использовать также для методики автоматизированного контроля качества кристаллов 1л№Юз.

В главе 3 приведены результаты исследования влияния электрических и тепловых шлей на оптические свойства кристаллов.

В кристаллах присутствие внешнего электрического поля вызывает изменение эллипсоида показателя преломления, а, следовательно, и характера распространения электромагнитной волны в среде. Если изменение показателя преломления пропорционально полю, то это соответствует линейному электрооп-

тическому эффекту. На основе этого эффекта создаются удобные и широко распространенные способы модуляции интенсивности или фазы распространяющегося излучения [6].

Известно [5], что индикатриса показателя преломления при наложении произвольно направленного внешнего электрического поля принимает вид:

+ 32^ +

а¡г + 2а«уг + 2азгх + 2а<;ух = 1,

(2)

где а, - а;о = г,]Ех + гаЕу+г;зЕ2; ¡= 1, 2, 3, 4, 5, 6; для одноосных кристаллов аю=а2о=1/По2, а3о=1/Пс2 (По - показатель преломления обыкновенного, п<. - необыкновенного луча).

В работе приводятся результаты аналитического расчета уравнения оптической индикатрисы при условии воздействия внешнего электрического напряжения для кристаллов ЫМЪОз, КОР и 1лЮ3 в различных плоскостях и для разных направлений вектора напряженности электрического поля.

Кристалл ЬМЮз в обычных условиях является оптически одноосным отрицательным кристаллом, принадлежит к тригональному типу симметрии (Зш), оптическая активность в таких кристаллах вдоль оптической оси отсутствует [7], В этом случае коноскопическая фигура, наблюдаемая вдоль оптической оси (оси 1), представляет собой систему светлых и темных окружностей, разделенных, при скрещенных поляроидах, темным "мальтийским крестом" (Рис.2 а).

а) б) в) г)

Рис.2. Интерференционные (коноскопические) картины кристаллов: а) ПИЪОз без приложения электрического поля; б) ЫЫЬО; с приложенным вдоль X внешним электрическим полем; в) ЫМЬСЬ после наложения внешнего электрического поля и закорачивания; г) оптически активный кристалл 1лЮз

При приложении к кристаллу ниобата лития электрического напряжения вдоль оси X или У, показатели преломления кристалла (пх, пу) изменятся. Кристалл становится двуосным (Рис.2б). При увеличении напряженности внешнего электрического поля двуосность увеличивается (увеличивается угловое расстояние между оптическими осями). График экспериментальной зависимости угла между индуцированными внешним электрическим полем оптическими осями в нелегированном кристалле ниобата лития представлен на рис.3. Коэффициент детерминации регрессии Я2 близок к единице при аппроксимации экспериментальной зависимости уравнением прямой, то есть в данном диапазоне напря-

Рис.3. Угол 2 -

между оптическими осями в 3

кристалле ниобата лития в > Г4 § 0.5 -£

зависимости от

приложенного напряжения о 4 0

женности электрического шля угол между оптическими осями прямо пропорционален напряжению на гранях кристалла.

Обнаружено, что возможна фиксация в кристалле ниобата лития электрооптических изменений показателя преломления, а, следовательно, и коноскопиче-ских фигур.

Фиксация электрооптических изменений показателя преломления осуществлялась следующим образом. Напряжение от электростатического генератора подавалось на кристалл, электрический заряд с электродов стекал на кристалл ниобата лития и закреплялся на определенных энергетических уровнях (ловушках), вероятно, расположенных, в основном, на поверхности кристалла. Затем один или оба электрода, не снимая высокого напряжения, удаляли.

Наведенные элекгроопгические изменения показателя преломления (и заряд на кристалле) оставались в течение достаточно длительного времени (10-20 часов). Зависимость угла между индуцированными оптическими осями от времени после удаления электродов показана на рисунке 4.

Так как угол между оптическими осями в кристалле четко коррелирует с приложенным к кристаллу электрическим напряжением (рис.3), то на основе данной корреляции можно предложить оптический метод исследования электрического поля в объеме кристалла по изменению двуосносги коноскопической фигуры.

Для устранения в кристалле наведенных изменений показателя преломления необходимо отсоединить электроды от электростатического генератора, приложить их снова к кристаллу и закоротить. Кристалл разряжает-

3 2 и

>

ч

в

1

0,5 -0

о

Время I, кс

Рис. 4. Зависимость угла между оптическими осями .от времени после удаления электродов

ся, коноскопическая фигура (рис.2а) после этого соответствует одноосному кристаллу.

Разрядка кристалла происходила и в том случае, если кристалл брали двумя пальцами руки в том месте, где ранее располагали электроды. Разрядка кристалла в некоторых случаях осуществлялась не полностью, что приводит к аномальным коноскопическим фигурам (Рис.2в). Характерным для данных фигур является то, что центральное темное пятно и ближайшие окружности напоминают скорее квадраты, чем окружности. Вторая особенность - отсутствует "мальтийский крест" в центральной части фигуры.

"Мальтийский крест" отсутствует в коноскопической картине в том случае, когда кристалл обладает достаточно значительной оптической активностью. Для примера на рисунке 2г приведена коноскопическая фигура для оптически активного кристалла иодата лития.

Из сравнения рисунков 26 и 2в можно сделать вывод, что в одноосном кристалле ниобата лития за счет остаточного заряда и элекгрооптического эффекта наведена оптическая активность. Таким образом, в кристалле ниобата лития обнаружена вынужденная оптическая активность, возникающая под действием электрического поля (элекгрогирация). После отжига кристалла при температуре 160-170°С в течение одного часа все наведенные оптические аномалии исчезают.

При использовании кристаллов в электрооптических устройствах и в качестве нелинейных элементов в преобразователях частоты большое значение имеет стабильность оптических свойств при изменении температуры.

Нами обнаружено, что при неоднородном нагреве кристалла ниобата лития, в его объеме формируется решетка коноскопических фигур, которая не исчезает даже после остывания кристалла (до начальной температуры). Эксперимент проводился с нелегированным кристаллом ниобата лития (размеры 13,4x16,6x10,4 вдоль X, У и Ъ осей соответственно). Зондирующий пучок лучей сканировали вдоль оси Ъ. Нагрев осуществлялся лампой накаливания при фокусировании излучения линзой на плоскость XI, кристалла. Отметим следующие особенности: вблизи грани, которую нагревали, коноскопическая фигура соответствует картине для двуосного кристалла (картина такая же, как и при наложении внешнего электрического поля вдоль оси X), причем, угол между осями наибольший (рис. 26). При перемещении луча лазера от передней, считая от нагревателя грани, к задней, двуосность уменьшается, пока не исчезает совсем. Далее двуосность снова возрастает, но теперь плоскость оптических осей повернута на 90 градусов (аналог смены полярности приложенного напряжения). Затем двуосность вновь уменьшается, кристалл становится одноосным. То есть при воздействии неоднородного теплового поля в кристалле ЬйчПэОз возникает некоторое периодическое изменение показателей преломления, которое сохраняется без изменений в кристалле достаточно продолжительное время (время релаксации порядка нескольких часов).

В главе 4. приведены результаты исследования электрофизических и оптических свойств композиционного материала политетрафторэтилен-графит (ПТФЭ-Г).

При различных температурах исследованы вольтамперные характеристики (ВАХ) композита, содержащего политетрафторэтилен (ПТФЭ) и 18% графита. Композит сшггезирован по «влажной» технологии [8], позволяющей получать высокооднородные и высокодисперсные материалы. Выяснено, что композиты имеют нелинейную.гистерезисную зависимость силы тока от приложенного, напряжения. Анализ экспериментальных данных показывает, что существует явно выраженная немонотонная зависимость площади петли гистерезиса от температуры, а именно: при температуре 25°С - 1,06 шВт, 70°С - 1,74 гпВт, 100°С - 4,48 тВт, 125°С-3,12тВт.

При измерении электропроводности ПТФЭ-Г композитов обнаружено, что электрофизические процессы в них могут быть нестабильны. Одна из вероятных причин нестабильности - плохой контакт между металлическими электродами и композитом. Для обеспечения хорошего контакта изготовлена специальная ячейка в виде бронзового кольца, в которую под вакуумом впрессован композит с центральным электродом. Изготовленная ячейка с композитом, не подвергавшимся воздействию электрического тока, имела относительно большое сопротивление (И~500 кОм), которое в процессе измерения резко снизилось и его значение хаотично менялось в пределах от 9 до 35 кОм. После кратковременного воздействия напряжения в 20 В сопротивление вновь уменьшилось, {до 7,19 — 7,21 кОм) и появилась возможность измерять его с достаточно большой, точностью. При повторном приложении электрического напряжения в течение 10 с, сопротивление стало равным 3, 4 кОм, однако далее,сопротивление образца со временем несколько возрастало (см. табл. 1). • > •

Таблица1.

Зависимость электрического сопротивления ячейки

и с 0 10 600 3000 | 72000 104000

Я, кОм 7.2 . . 3,4 „ 3,67 3,79 . 5,5 5,84

После длительного хранения (6 месяцев) сопротивление композита возросло до 2,5 МОм. Однако сопротивление ПТФЭ-Г вновь снижается даже при кратковременном воздействии (четырьмя) последовательными электрическими импульсами (11=220 В и длительностью по 0,2 с) до 3, 4 кОм.

Как резкое возрастание электропроводности при воздействии коронами электрическими импульсами, так и ее уменьшение могут быть объяснены наличием поверхностных соединений графита с кислородом, образующихся при комнатной температуре [9]. Во время кратковременного пропускания электрического тока через композит, когда основная масса материала нагревается лишь незначительно (на 1-2 градуса), в зоне микроконтакта углеродных зерен происходит значительный нагрев, сопровождающийся разрушением поверхностных

12

соединений графита, которые обладают диэлектрическими свойствами. В результате электропроводность композита резко возрастает.

Как уже было сказано, ВАХ композита имеет гистерезисный характер. Для анализа характера проводимости ПТФЭ-Г рассчитали усредненную кривую ВАХ композита Точки этой кривой находили как среднее значение между значениями напряжения верхней и нижней ветви, соответствующими определенной величине тока: ис=(иа+иь)/2 (рис.5). В этом случае, по-видимому, ВАХ можно использовать для оценки вклада различных видов электрической проводимости.

Обнаружено, что усредненная (обозначена на рисунке пунктирной линией) кривая ВАХ также нелинейна в широком диапазоне температуры (25 -125°С), причем логарифм проводимости пропорционален корню квадратному от напряжения 1по~и1Я (рис.6).

Рис.5. Рассчитанная усредненная ВАХ композита (пунктирная линия) и экспериментальная петля ВАХ (сплошная)

8 10 12 14 16

Рис.6. График зависимости натурального логарифма проводимости Ina от U1/2 при различных температурах. Температура, градусы Цельсия 0 - 25; Ü-70; Д-125; Х-100

1Па15,5

Такой вид зависимости характерен для веществ'с туннельным типом проводимости [10]. Вероятно, в композитах ПТФЭ-Г протекает электронный ток между частицами 1рафига через прослойки, образуемые политетрафторэтиленовой матрицей.

При снятии «градус-амперной» характеристики (TAX), то есть измерении электрического тока с повышением температуры при постоянном приложенном электрическом напряжении, было выяснено, что данная зависимость имеет максимум при температуре Т=75°С, меньшей, чем температура стеклования (Тс=127°СУ Причем значение Тока в три-пять' раз выше, чем на границах интервала (рис. 7).

I, шА

Волнообразный характер Г АХ, с нашей точки зрения, можно объяснить, если помимо перехода из стеклообразного в высокоэластическое состояние рассмотреть переход ГГГФЭ из кристаллического в стеклообразное, ^ а затем в высокоэластическое состояние. С ростом температуры, в интервале значений, близких к 127°С, стеклообразное аморфное состояние переходит в высокоэластическое. При более высокой температуре О >145°С) наблюдается переход из кристаллической фазы в высокоэластическое состояние, что, по-видимому, и приводит к существенным изменениям проводимости в системе кристаллический ПТФЭ + высокоэластический ПТФЭ + графит.

В композитах на основе

й) 40

20

Т,°С

0

33

юо

15)

200

Рис.7. Зависимость силы тока в образце ПТФЭ-Г (содержание графита 17,8%) от температуры при постоянном приложенном напряжении 46 В

ПТФЭ наблюдается также фазовый переход первого рода вблизи 80°С, причем полученная нами Ы-образная ГАХ ПТФЭ композитов коррелирует с оптическими свойствами ПТФЭ-кварцевого композита, изученного АгаЫ [11] методами рентгеновской дифракции и ИК спектроскопии. Однако изменения ГАХ в рассмотренном диапазоне температур намного более выражены, чем анализируемые Атак! оптические и спектральные зависимости. Вследствие этого, температура фазового перехода ПТФЭ в составе композита ПТФЭ-Г, возможно, определена нами более точно, чем АгаИ и составляет 75°С. Кроме того, минимум на ГАХ, соответствующий интервалу 125-135°С, указывает на фазовый переход второго рода, который, по данным АгаИ, происходит в районе 130°С.

Аномально высокая прозрачность ПТФЭ-Г композитов, установленная рядом авторов [12], была проверена нами на образцах композита, полученного путем коагуляции. Оказалось, что в окнах прозрачности фторопласта в ИК диапазоне композиты имеют сильное поглощение даже при концентрациях графита в композите существенно меньших, чем в работе, упомянутой выше. В диссертации рассматриваются причины различной прозрачности композитов, полученных разными методами.

Одна из причин снижения прозрачности композита состоит в том, что при использовании коагуляционного метода в составе исходных компонентов имеется поверхностно-активное вещество (ПАВ) ОП-7. Установлено, что и в готовом композите, и в ПТФЭ, не содержащем графит, это вещество находится в виде микровключений, интенсивно рассеивающих ИК излучение. Однако, путем изменения гео-

метрии микровключений ПАВ, в процессе технологической переработки, удалось практически полностью исключить рассеяние на этих центрах и сделать ПТФЭ вновь прозрачным. Такой же эффект наблюдается и при формировании образцов на основе полигексафторпропилена - полимера с предельно высокой прозрачностью.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Исследованы закономерности преобразования по частоте широкополосного излучения в нелинейных оптических кристаллах КТР, LiNbC>3, LUO3.

2. Обоснована эффективность способа модуляция излучения на частоте второй гармоники, а также выяснены зависимости эффективности преобразования излучения в кристаллах от частоты используемого излучения.

3. Обнаружено, что в кристалле ниобата лития создаются условия записи оптической информации, наведенной внешним электрическим полем.

4. Показано, что исследованные вольтамперные характеристики кристалла ниобата лития в области высоких и низких электрических напряжений' имеют существенно различную зависимость.

5. Выявлено, что в кристалле ниобата лития под действием неоднородного теплового поля возникают решетки коноскопических фигур, сохраняющиеся в кристалле достаточно долго, а в результате наложения электрического напряжения может возникнуть оптическая активность.

6. Исследованы электрофизические свойства ПТФЭ-Г; установлено, что композиты имеют туннельную электронную проводимость. Выяснено, что сопротивление образцов со временем возрастает, а при воздействии импульсами тока резко снижается. Предложена модель, объясняющая такой эффект.

7. Обнаружено, что экстремумы градус-амперной характеристики соответствуют облает» температур фазовых переходов ПТФЭ в составе композита, а также изучены факторы, определяющие прозрачность композитов.

Список цитируемой литературы

1. Никогосян Д.Н., Гурзадян Г Г. Кристаллы для нелинейной оптики //Квантовая электроника. - 1987. - Т. 14. - N8. - С. ¡529 -1541.

2. Воронин Э.С.. Дивлекеев М.И., Ильинский ЮА., Соломатин B.C. Преобразование изображения из ИК диапазона в видимый методами нелинейной оптики //ЖЭТФ. - 1970/- Т.58.-N1. -С.51-59.

3. Тронлин В.И. Преобразование немонохроматического широкополосного инфракрасного изображения в нелинейных оптических кристаллах. Автореф.дис. на соискание уч. степени к.ф.-м.-н.-Хабаровск: ДВГАПС, 1994.- 16с.

4. Понявши А.Н. Селекция оптического излучения при рассеянии в частично упорядоченных дисперсных средах //Журнал прикладной спектроскопии. - 1998. -T.65.-N5. - С. 21-26.

5. Ярив А., Юх П. Оптические волны в кристаллах-М.: Мир, 1987-616 с.

6. Бережной A.A. Электрооптические модуляторы и затворы //Оптический журнал. - 1999. - Т.66,- №6. - С. 3 -19.

■ ' 7. Кузьминов TÖ.C. Элекгроошический й нелинейнооптический кристалл ниобата лития. - М.: Наука, 1987. - С. 264.

8. Новиков Г.П. Способ получения высоконаполненных композиционных материалов. Патент РФ.-N2026317. - 1995 г.'

9. Руководство по неорганическому синтезу. Под ред. Г.Брауэр. М.: М1ф, 1983.-T.3.-C.672. . ■

10. Герасимов Г. Н. Влияние света й адсорбции газов на электропроводность наногетероге1шых металл-полимерных материалов //Химическая физика,- 1998. -Т. 17. -№ 6. -С. 168-175.

- 11. Araki Y. Transitions of Polytetrafluoroethylene at 'About 90 and 130°C. Studied by X-Ray Diffraction and Infrared Spectra //Journal of Applied Polymer Science. -1967.-V.U.-P. 953-961.

12. Коваленко H.A., Фалеев Д.С., Прокопович M.P. Инфракрасные спектры пропускания композитов на основе фторопласта //Оптика: Межвуз. сб. научн.тр./Дальневосточная государственная академия путей сообщения. - Хабаровск: ДВГАПС, 1993. -С.29-31.

Список основных публикаций

1. Криштоп В.В., Новиков Г.П., Рапопорт И.В., Скоблецкая О.В. Нелинейные эффекты во фторопластовых композитах //Межд. науч. конф. молодых ученых Сибири^ Дальнего Востока и стран АТР. Тезисы докл.- Хабаровск,-1997.- С. 19-20.

2. Новиков Г.П., Фалеев Д.С. Криштоп В.В. Аналог шумов Баркгаузена в композитах с тефлоном //Проблемы транспорта Дальнего Востока Материалы второй междун. конф. - Владивосток: ДВО Академии транспорта РФ. -1997.- С. 133.

3. Емельяненко A.B., Криштоп В.В. Исследование спектров преобразованного кристаллом ЬйОз излучения при изменении спектра накачки //Проблемы транспорта Дальнего Востока Материалы второй междун. конф. - Владивосток: ДВО Академии транспорта РФ. -1997.- С. 134.

4. Новиков Г.П., Криштоп В.В., Прокопович М.Р. Элекгрический гистерезис в графитосодержащих композитах // Информационный сборник Владивостокского отд. РОТМО в 1995-1996 гг. -Владивосток, - 1997. - С.4-6.

5. Криштоп В.В., Алексеева JI.B., Скоблецкая О.В.. Строганов В.И. Запись в кристалле ниобата лития электрооптических изменений показателя преломления //Нелинейные процессы в оптических кристаллах: Межвуз. сб. науч. тр. - Хабаровск: ДВП>ЙС, 1997.-С.27-35.

6. ДейнекинаН.А., Емельяненко A.B., Криштоп В.В. и др. Спектр преобразованного широкополосного излучения, сфокусированного в кристалл иодата лития // Нелинейные процессы ъ оптических кристаллах: Межвуз. сб. науч. тр. -Хабаровск: ДВГУПС, 1997. - С.50-56. ' " '

7. Емельяненко A.B., Криштоп В.В. Экспериментальное исследование эффективности преобразования широкополосного сфокусированного излучения в LI03 //Материалы Межд. симпозиум (Первые Самсоновские чтения).- Хабаровск: Дальнаука-1998.-С. 106.

8. Новиков Г.П., Крипггоп В.В., Сюй A.B. Зависимость оптических и электрофизических свойств фторопластовых композитов от их структуры //Материалы Межд. симпозиум (Первые Самсоновские чтения). - Хабаровск: Дальнаука -1998.-С. 97.

9. Кршптоп В.В., Строганов В.И. Измерение угла между отическими осями кристалла ниобата лития, помещенного во внешнее электрическое поле // Бюллетень научных сообщений /Под ред. В.И.Строганова - Хабаровск: ДВГУПС, 1998. - №3 - С.87-89.

10. Криштоп В.В. Особенности ВАХ кристалла ниобата лития в области высоких напряжений //Бюллетень научных сообщений /Под ред. В.И.Строганова. -Хабаровск: ДВГУПС, 1998. - №3 - С. 116-118.

11. Емельяненко A.B., Криштоп В.В.Преобразование широкополосного излучения в УФ область спектра //Физика: фундаментальные исследования, образование: Тезисы докл. краевой науч. конф. - Хабаровск. -1998. - С.54-55.

12. Крипггоп В.В. Влияние электрического поля на угол индуцированной двуосности в ниобате лития //Физика: фундаментальные исследования, образование: Тез. докл. краевой науч. конф. - Хабаровск. - 1998. - С.55-56.

13. Алексеева Л.В., Криштоп В.В., Строганов В.И. Электрогирация в кристаллах ниобата литая //Нелинейные процессы в оптике: Межвуз. сб. науч. тр. -Хабаровск: ДВГУПС, 1999. - С.4-6.

14. Криштоп В.В., Новиков ГЛ. N- образная градус-амперная характеристика фторопласт-графитовых композитов //■ Выпускник НГУ и научно- технический прогресс. Материалы Межд. конф. НГУ, Новосибирск,- 1999. - С.76-78.

15. Новиков Г.П., Кршптоп В.В., Новикова О.В. Динамика электрофизических процессов во фторопласт-графитовых композитах //Повышение эффективности работы жд транспорта Сибири и ДВ. Материалы науч.-техн. конф. - Т.2. -Хабаровск: Изд-во ДВГУПС. - 1999. - С. 205.

16. Krishtop V.V., Skorik V.G., Stroganov V.l. About biaxiality, induced in a crystal LiNb03 by an electrostatic field //Materials of the third international student's congress of the Asian Pacific Region countries,- Vladivostok, FESTU.-1999.- P.89-90.

17. Криштоп B.B., Сюй A.B., Пасько П.Г. Оптическая активность в кристалле ПИЬОз, наведенная градиентом теплового поля //Оптика 99. Тез. докл. Междун. конф. молодых ученых и специалистов. С.-Петербург. -1999. - С. 154.

18. Криштоп В.В., Строганов В.И. Наблюдение изображения объекта на фоне коноскопических фигур //Нелинейная оптика Межвуз. сб. науч. тр. - Хабаровск. -2000. -С.'67г71,',

19. Криштоп В.В., Новиков Г.П. Характер проводимости композитов фторопласт-графит при различных температурах //Фундам. и прикл. вопросы физики и математики. Тезисы Всерос. конф. - Владивосток. -1999. - С.55-56.

20. Сюй A.B., Карпец Ю.М., Криштоп В.В. Наведение обратимых дефектов ИК-излучением в кристаллах ниобата лития //Фундам. и прикл. вопросы физики и математики. Тезисы Всерос. конф. - Владивосток. - 1999. - С. 56-58.

!.'.'•' 'Л "í ..'.i

.f .

,\.iii v:'¡í ii-.i üj'iifv'!

■ T:

■jT '. ti .'>'■ >*'-•';(< <■'.■■ ■■.••.

Виктор Владимирович Криштоп.

ИССЛЕДОВАНИЯ« кЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИХ И НЕЛИНЕЙНООПТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ШИРОКОПОЛОСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ1 ИИОБАТА И И О ДАТА ЛИТЙЯ. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук.

ЛР №021СР,ОТ 1fl08,96 г. ПЛД №79-19 от 19.01,00 г,,

Подписано в печать 21.04.00. Печать офсетная. Бумага тип. №2. Формат 60x84/16. Печ. л. 1,0. Зак. 131. Тираж 100.

Издательстве ДВГУПС.

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