Нелинейно-оптические эффекты с широкополосным излучением в кристаллах ниобата лития тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

На правах рукописи

СЮИ АЛЕКСАНДР ВЯЧЕСЛАВОВИЧ

НЕЛИНЕИНО-ОПТИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ С ШИРОКОПОЛОСНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ В КРИСТАЛЛАХ НИОБАТА ЛИТИЯ

01.04.05 - Оптика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

005539339

г 1 ноя 2013

Ульяновск-2013

005539339

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Дальневосточный государственный университет путей сообщения».

Научный консультант: доктор физико-математических наук

Сидоров Николай Васильевич

Официальные оппоненты: Горелик Владимир Семенович,

доктор физико-математических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ, ФГБУН «Физический институт им. П.Н. Лебедева» РАН, лаборатория комбинационного рассеяния света, заведующий лабораторией

Ж и ж ии Герман Николаевич,

доктор физико-математических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ, ФГБУН Научно-технологический центр уникального приборостроения РАН, главный научный сотрудник

Кострицкий Сергей Михайлович,

доктор физико-математических наук, технический директор Зеленоградского отделения ООО НПК «Оптолинк»

Ведущая организация: ФГБУН «Институт физики им. Л.В. Киренского»

СО РАН

Защита состоится 20 декабря 2013 года в Ю00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.278.01 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ульяновский государственный университет» по адресу: Набережная реки Свияги, 106, корпус 1, ауд. 703.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ульяновского государственного университета, с авторефератом на сайте ВУЗа — http://www.uni.ulsu.ru и на сайте Высшей аттестационной комиссии при Министерстве образования и науки Российской Федерации - http://vak.ed.gov.ru.

Отзывы на автореферат направлять по адресу: 432017, г. Ульяновск, ул. Л. Толстого, 42, Ульяновский государственный университет, Отдел послевузовского и профессионального образования.

Автореферат разослан_ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физико-математических наук

Л.Н. Вострецова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность

Современные достижения нелинейной оптики существенно стимулируют развитие физического материаловедения, создание и модернизацию технологий новых материалов электронной техники. Фоторефрактивные материалы для нелинейной оптики и голографии в настоящее время служат предметом интенсивных исследований. При этом большое внимание со стороны ученых различных отраслей знаний (физика, химия, материаловедение) уделяется разработке и исследованию структуры монокристаллических фоторефрактивных сред, установлению связи тонких особенностей структуры и дефектов с физическими характеристиками и с особенностями взаимодействия электромагнитного излучения с кристаллом. Реальная структура фоторефрактивных кристаллов, являющихся в подавляющем большинстве фазами переменного состава, отличается глубокой дефектностью и наиболее далека от идеальной. Роль дефектов, а также тонких особенностей упорядочения структурных единиц в решетке кристалла часто становится определяющей в формировании его нелинейно-оптических характеристик.

Один из наиболее важных фоторефрактивных материалов - сегнетоэлектриче-ский кристалл ниобата лития (1ЛМЬ03), обладающий высокой лучевой стойкостью, хорошими нелинейными, электрооптическими, пьезоэлектрическими, пироэлектрическими, фотовольтаическими и фоторефрактивными свойствами, что обусловливает возможность его широкого применения в устройствах голографической записи информации, модуляции, дефлекции, преобразования и генерации оптического излучения [1-5]. Ниобат лития является фазой переменного состава, что позволяет кардинально и достаточно тонко регулировать физические характеристики кристалла легированием, изменением стехиометрии (отношения II = 1Л/МЬ), а также изменением упорядочения структурных единиц катионной подрешетки и состояния дефектности структуры [1, 6]. Исследования, направленные на оптимизацию фоторефрактивных свойств путем варьирования состава и структурных особенностей монокристалла ниобата лития, наиболее актуальны для целенаправленного создания материалов с заданными характеристиками. Природа фоторефрак-тивного эффекта в общем случае хорошо изучена, и для его объяснения предложены ряд моделей [6-8]. Однако, несмотря на хорошее состояние теории, связь между фоторефрактивным эффектом, фотоиндуцированным рассеянием света (ФИРС) и тонкими особенностями строения конкретных реальных монокристаллов ниобата лития, перспективных в качестве материалов для голографии, лазерной и нелинейной оптики, в настоящее время изучена слабо. Единичны исследования ФИРС в зависимости от состава кристалла ниобата лития и способа выращивания. В литературе подробно рассмотрен эффект фоторефракции в монокристаллах ниобата лития конгруэнтного состава (И. = 0,946), легированных катионами с переменной валентностью («фоторефрактивными» катионами, например Бе), существенно повышающий эффект фоторефракции [8]. Вместе с тем он совершенно не исследован в монокристаллах стехиометрического (К = 1) состава и в конгруэнтных кристаллах, легированных «нефоторефрактивными» катионами, понижающими эффект фоторефракции. Не ясна связь эффекта фоторефрации и

ФИРС с упорядочением структурных единиц катионной подрешетки, определяющей сегнетоэлектрические и нелинейно-оптические свойства кристалла.

Среди устройств, использующих принципы нелинейной оптики, особое место занимают монокристаллические преобразователи теплового широкополосного излучения, важным преимуществом которых при преобразовании ИК-изображения является отсутствие геометрических искажений. Кроме того, в работе [5] показано, что при одинаковых уровнях накачки эффективность преобразования широкополосного излучения может быть даже значительно выше, чем для лазерного излучения. Однако в процессе взаимодействия высокоинтенсивного оптического излучения с электрооптическими кристаллами в последних могут возникать изменения оптических свойств из-за термооптического и фоторефрактивного эффекта, что существенно влияет на работу оптоэлектронных устройств. Кроме этого, электрические поля, возникающие в фоторефрактивном кристалле вследствие облучения и управляющие изменениями показателя преломления, могут вызывать долговременные изменения показателя преломления, которые необходимо контролировать в процессе эксперимента. Величины этих полей зависят от многих факторов, в том числе от поляризации излучения, которое в кристалле может измениться вследствие эффекта фоторефракции.

В этой связи для проведения экспериментальных исследований важно иметь излучение с точно заданными поляризационными характеристиками, такими как эллиптичность и азимут для определенной длины волны. Для этих целей в оптических исследованиях обычно используют фазовые пластины. Однако недостатком фазовых пластин является то, что каждая пластина рассчитана только для одной длины волны. Поэтому при использовании широкополосного излучения задача управления его характеристиками с применением фазовых пластин становится особенно сложной. Управление оптическими свойствами кристаллических пластин и использование их в качестве фазовых является приоритетной задачей при проведении многих экспериментов. При этом использование широкополосного излучения в нелинейно-оптических приборах и устройствах позволит значительно расширить возможности нелинейной оптики и снизить стоимость приборов и устройств.

Таким образом, актуальной проблемой оптики нелинейно-оптических фо-торефрактивных кристаллов является выявление и установление природы нелинейно-оптических эффектов, возникающих при прохождении широкополосного излучения через кристалл, развитие методов управления спектральными и поляризационными характеристиками этого излучения, а также выявление роли дефектов (собственных и наведенных излучением) и тонких особенностей структуры кристаллов в формировании нелинейно-оптических эффектов.

В связи с этим цель работы была сформулирована следующим образом.

Цель работы. Выявление роли дефектов и тонких особенностей структуры кристаллов ниобата лития разного состава в формировании нелинейно-оптических эффектов с широкополосным излучением. Развитие методов управления спектральными и поляризационными характеристиками широкополосного излучения, прошедшего через систему фазовых пластин.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Выполнить анализ зависимости фоторефрактивных свойств кристаллов нио-бата лития от его стехиометрии, легирования и способа выращивания, используя два независимых метода - спектроскопию комбинационного рассеяния света (КРС) и фотоиндуцированное рассеяние света.

2. Определить оптимальные условия для записи оптического изображения в кристаллах ниобата лития широкополосным излучением (ориентация, линейный размер светового пятна, поляризация излучения относительно полярной оси кристалла, концентрация и вид примесных катионов).

3. Разработать модель широкополосного электрооптического модулятора на основе монокристаллов ниобата лития, действующего на поперечном электрооптическом эффекте, исследовать его характеристики.

4. Установить влияние стехиометрии кристалла ниобата лития, характера примесных катионов и особенностей их локализации в катионной подрешетке кристалла на эффективность преобразования ИК-излучения. Проанализировать спектры преобразованного широкополосного излучения в нелинейно-оптических кристаллах ниобата лития разного состава, выращенных методом Чохральского различными способами.

5. Изучить спектры пропускания широкополосного излучения кристаллических пластин, изготовленных из различных материалов: ниобата лития (1л№>03), кварца (8Ю2), кальцита (СаС03), дигидрофосфата калия (КН2Р04), в зависимости от толщины пластины, ориентации кристаллической пластины в экспериментальной схеме и плоскости пропускания анализатора.

6. Определить зависимости характеристик поляризованного широкополосного излучения (эллиптичность, азимут, степень поляризации) от длины волны и от разности фаз между компонентами электрического поля излучения, прошедшего составные кристаллические пластинки.

7. Исследовать возможности метода лазерной коноскопии для выявления оптических неоднородностей в объеме кристалла и определения направления оптической оси.

В качестве объектов исследования использованы:

1. Номинально чистые монокристаллы стехиометрического состава (11= 1), выращенные методом Чохральского из расплава с 58,6 мол. % 1Л20 (1лМЮ3стех.).

2. Номинально чистые монокристаллы стехиометрического состава, выращенные методом Чохральского из расплава конгруэнтного состава с добавлением флюса К20 (1л№03стех.К20).

3. Монокристаллы ниобата лития конгруэнтного состава, легированные «не-фоторефрактивными» катионами Ъ\2+, В3+, в(13+, У3+, Сг3+, Та5+, Яи4+.

4. Монокристаллы ниобата лития конгруэнтного состава, легированные «фо-торефрактивными» катионами Си, Ие, КЬ.

5. Монокристаллы ниобата лития конгруэнтного состава с двойным легированием (У3+: М§2+) и (Та5+: Mg2+).

6. Кроме монокристаллов ниобата лития, в экспериментах по преобразованию частоты йверх исследовались кристаллы ЫЮ3, Ш03, КТР, КБР.

Подавляющее большинство монокристаллов ниобата лития выращены в лаборатории материалов электронной техники ИХТРЭМС КНЦ РАН (г. Апатиты) по единой методике с использованием специально разработанной шихты оригинального состава, что исключает случайную природу наблюдаемых эффектов.

Научная новизна работы

1. Выявлено существенное влияние стехиометрии кристаллов ниобата лития на величину фоторефрактивного эффекта. Установлено, что структура ФИРС в ниобате лития вне зависимости от состава является трехслойной. Обнаружено, что с повышением плотности мощности накачки эффект фоторефракции и асимметрия индикатрисы ФИРС в монокристаллах ниобата лития увеличиваются при отклонении состава кристалла от строго стехиометрического. Впервые исследовано ФИРС в номинально чистых монокристаллах ниобата лития с различным соотношением Ы/М), выращенных разными способами методом Чохральского, а также в серии монокристаллов ниобата лития конгруэнтного состава, легированных широким спектром «нефоторефрактивных» катионов.

2. Показано, что интенсивность линий, «запрещенных» правилами отбора в спектре КРС для данной геометрии рассеяния, но проявляющихся в ней вследствие наличия эффекта фоторефракции, практически не изменяется со временем. Все последующие более тонкие изменения в спектрах КРС и в ФИРС детерминированы особенностями формирования в кристалле статических и динамических дефектов, наведенных лазерным излучением, обусловливающих динамику развития второго и третьего слоев индикатрисы ФИРС и перекачку энергии из слоя в слой.

3. Подробно изучена и экспериментально реализована запись изображения широкополосным излучением в монокристаллах ЬПЧЬОзгРе. Показано, что изменения показателя преломления (запись изображения) происходят благодаря наличию градиента интенсивности записывающего излучения, направленного вдоль полярной оси кристалла. Установлено, что контраст записи и время хранения изображения в легированных кристаллах ниобата лития при использовании широкополосного излучения зависят от формы падающего на кристалл светового пятна и его ориентации относительно полярной оси кристалла, а также от поляризации излучения. Обнаружено проявление термической усталости, аналогичной электрическому старению, кристалла ниобата лития в развитии ФИРС при многократном термическом отжиге.

4. Впервые показана возможность применения оптической системы, содержащей два электрооптических кристалла и три поляризатора, для эффективной модуляции широкополосного излучения с гауссовым профилем огибающей спектра шириной в несколько десятков нанометров.

5. Впервые исследовано преобразование широкополосного ИК-излучения номинально чистыми монокристаллами ниобата лития стехиометрического состава, выращенными из расплава с 58,6 мол. % 020 и из расплава конгруэнтного состава с добавлением флюса КгО (6 вес. %), а также номинально чистыми монокристаллами конгруэнтного состава, легированными катионами в условиях некритичного 90-градусного синхронизма при реализации векторных взаимодействий. Показано, что эффективность преобразования, ширина спектра и положение максимума спектра преобразованного излучения зависят от стехиометрии кристалла. При этом коэффициент преобразования растет с увеличением концентрации 7п2+ в кристалле.

6. Рассчитан эффект компенсации влияния второго кристалла в системе «поляризатор - кристалл - кристалл - анализатор» на широкополосный спектр пропускания такой системы. Теоретически доказано и экспериментально установлено, что в системе «поляризатор - кристалл - анализатор» существует характерная точка перехода линейчатого спектра в сплошной при вращении плоскости главного сечения кристаллической пластинки относительно направления пропускания поляризатора или вращении анализатора. Предложено использовать спектры пропускания системы «поляризатор - эталон - кристалл - анализатор» для контроля идентичности фазовой пластинки.

7. Описан метод определения поляризационных характеристик широкополосного излучения, прошедшего через систему кристаллических пластин, основанный на применении параметрических уравнений эллипса поляризации.

8. Разработаны методика исследования оптической однородности фоторефрак-тивных кристаллов с использованием ФИРС и методика, заключающаяся в наблюдении интерференционных (коноскопических) картин в широкоапертурных слабо-расходящихся пучках света. Впервые зарегистрированы нетрадиционные интерференционные коноскопические картины в слаборасходящихся пучках света от двух кристаллических пластин ниобата лития. Показано, что сложение интерференционных картин укладывается в рамки векторной модели (теоремы косинусов).

Практическая значимость работы

1. Научные результаты, полученные в диссертации, представляют собой дальнейшее качественное развитие имеющихся в литературе знаний о влиянии особенностей структуры монокристаллов ниобата лития разного состава, процессов упорядочения структурных единиц и дефектов на специфику записи изображения и преобразования широкополосного излучения. Они имеют важное значение для модификации и разработки новых нелинейно-оптических материалов электронной техники на основе монокристалла ниобата лития. Результаты исследований применены в ростовой лаборатории ИХТРЭМС КНЦ РАН (г. Апатиты) при создании промышленных технологий выращивания монокристаллов ниобата лития разного состава, обладающих низким эффектом фоторефракции.

2. Метод ФИРС использован в ростовой лаборатории ИХТРЭМС КНЦ РАН для оценки оптического качества монокристаллов ниобата лития разного состава и исследований распределения дефектов по объему выращенной були. Метод спектроскопии КРС применен для оценки совершенства кристаллической структуры ниобата лития с разным отношением 1лЛЧЬ и соответствия состава выращенного кристалла стехиометрическому составу.

3. Результаты исследований по преобразованию широкополосного ИК-излучения в нелинейно-оптических кристаллах использованы во ВНИИФТРИ «Даль-стандарт» при проведении физического эксперимента по визуализации теплового изображения (имеется акт внедрения).

4. На основе полученных результатов возможны разработка электрооптического модулятора широкополосного излучения, изготовление устройств управления характеристиками широкополосных лазеров на красителях при селекции в лазерах модового состава, изменении спектра в обычных пучках излучения для создания реперных спектров.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Кристаллы ниобата лития стехиометрического состава, выращенные из расплава с 58,6 мол. % 1л20 (1л№>0зстех), а также кристаллы, близкие к стехиомет-рическому составу, выращенные из расплава конгруэнтного состава с добавлением 6,0 мол. % К20 (1л№>03стех.К20) обладают более высоким фоторефрактивным эффектом в сравнении с другими кристаллами ниобата лития, выращенными методом Чохральского. Легирование кристаллов ниобата лития конгруэнтного состава катионами Сс13+, В3+, У3+, Та5+ приводит к подавлению фоторефрактивного эффекта. Катионы В3+ являются наиболее «нефоторефрактивными» и вызывают практически полное гашение фоторефракции в кристаллах ниобата лития.

2. Запись изображения широкополосным излучением реализуется при наличии градиента интенсивности записывающего пучка сШс!г, направленного вдоль полярной оси кристалла. При этом отклик Дп (изменения показателя преломления кристалла) пропорционален градиенту интенсивности <Н/Аг. В кристаллах ниобата лития наблюдается эффект термической усталости при многократном термическом отжиге.

3. В кристаллах ниобата лития положение максимума преобразованного широкополосного ИК-спектра, соответствующего длине волны 90-градусного фазового синхронизма Ао, определяется отношением В спектре высокоупорядо-ченных кристаллов строго стехиометрического состава, выращенных из расплава с 58,6 мол. % 1л20 (1л№ЮзСтех.) максимум преобразованного ИК-спектра соответствует длине волны: Ао = 495 нм.

4. Использование свойств поперечного электрооптического эффекта позволяет разработать электрооптический модулятор широкополосного излучения, выполненный на основе двух идентичных монокристаллов ниобата лития с низким значением полуволнового напряжения 240 В и глубиной модуляции 80 % для широкополосного излучения диапазоном 530*590 нм и 87 % для диапазона 540*580 нм.

5. В системе «поляризатор - кристалл — анализатор» существует точка перехода линейчатого спектра в сплошной. Этот эффект позволяет определить или задать не только угол между главным сечением кристаллической пластины и направлением пропускания поляризатора, но и характерные для данной пластины спектры пропускания, а также угол между направлениями пропускания поляризатора и анализатора. В системе «поляризатор - эталон - кристалл - анализатор» по спектру пропускания можно контролировать идентичность фазовой пластинки.

6. Используя составные кристаллические пластинки, можно задавать произвольные поляризационные характеристики для любой длины волны в области прозрачности кристаллов путем поворота кристаллических пластинок относительно направления пропускания поляризатора.

Связь с государственными программами и НИР

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с фундаментальной научно-исследовательской темой ОАО «РЖД» «Анизотропное отражение света и электрооптические свойства кристаллов», реализуемой на кафедре «Физика» ДВГУПС. Также работа осуществлялась в рамках федеральной целевой программы «Научные

и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. по государственным контрактам, гос. per. № 01201065654, 01201065653, 01201067115, 01201277889, 01201277886.

Достоверность научных результатов

Достоверность обеспечена апробированными методиками постановки экспериментов по ФИРС, модуляции, преобразованию, управлению и записи изображения широкополосным излучением с применением нелинейно-оптических монокристаллов и фазовых пластин, использованием современного оборудования для регистрации спектров КРС (автоматизированных высокочувствительных спектрометров «ДФС-24» и «Ramanor U-1000»), надежной статистикой проведенных экспериментов, высокоточными программами обработки экспериментальных данных (Bomem Grames, Origin и др.). Экспериментальные результаты, представленные в диссертационной работе, хорошо согласуются с данными других авторов и с современными представлениями о нелинейно-оптических и фоторефракгивных процессах в кристаллах ниобата лития, основанными на надежных общепринятых физических моделях.

Апробация работы

1. Основные результаты работы докладывались на 47 конференциях различного уровня. К наиболее весомым относятся: Международные научные конференции молодых ученых и специалистов «Оптика 1999», «Оптика 2001», «Оптика 2003», «Оптика 2005», «Оптика 2007», С.-Петербург; Modern problems of laser physics. (MPLP'2000) Simposium, Novosibirsk, 2000; First international conference for young on laser optics (LO-YS 2000), St.-Petersburg, 2000; 4-я Международная научная конференция «Радиационно-термические эффекты и процессы в неорганических материалах», Томск, 2004; Asia-Pacific Conference on Fundamental Problems of Opto- and Microelectronics, APCOM-2004, Khabarovsk, APCOM-2012, Dalian, China; Международная научная конференция «Фундаментальные проблемы оптики», С.-Петербург, 2004, 2006, 2008, 2010, 2012; Научные сессии МИФИ 2007, МИФИ 2008, МИФИ 2010, МИФИ 2011, МИФИ 2012, Москва; 12Л Conference on Laser Optics, LO-2006, St.-Petersburg; XVIII Всероссийская конференция по физике сегнетоэлектриков, ВКС-18, С.-Петербург, 2008; VII Международная научная конференция «Лазерная физика и оптические технологии», Минск, 2008; Международная научная конференция «Оптика кристаллов и наноструктур», Хабаровск, 2008; 7-я Международная научно-практическая конференция «ГОЛОЭКСПО-2010» «Голография. Наука и практика»; 27-я Школа по когерентной оптике и голографии, Москва; Всероссийская научная конференция с международным участием «Исследования и разработки в области химии и технологии функциональных материалов», Апатиты, 2010; 2-я Международная научно-техническая конференция, посвященная 80-летию МЭИ «Поляризационная оптика», Москва, 2010; The International Symposium on Piezoresponse Force Microscopy & Nanoscale Phenomena in Polar Materials (ISAF-PFM-2011),Vancouver, British Columbia, Canada, 2011.

Результаты работы докладывались и обсуждались на научных семинарах ИХТРЭМС КНЦ РАН и кафедры физики ДВГУПС.

Публикации и личный вклад автора

По материалам диссертации опубликовано 46 научных работ, в том числе 39 статей в журналах из перечня, рекомендованного ВАК РФ, 4 монографии, 3 патента на изобретение. Многочисленные статьи по теме диссертации, опубликованные в сборниках и материалах различных всероссийских и международных конференций, а также тезисы докладов не входят в число вышеуказанных публикаций.

Личный вклад автора заключается в следующем. Автор инициировал и определял направление исследований в подавляющем большинстве работ. Основная часть научных работ, изданных в соавторстве, написана непосредственно автором. Автору принадлежит постановка задачи, большая часть экспериментов, анализ и интерпретация результатов. Исследования структуры и фоторефрактивных свойств кристаллов с использованием спектроскопии КРС выполнены совместно с соавторами из ИХТРЭМС КНЦ РАН (г. Апатиты).

Автор выражает глубокую благодарность научному консультанту д.ф.-м.н. Н.В. Сидорову. Автор сердечно благодарит своего учителя, ныне покойного, заслуженного деятеля науки РФ д.ф.-м.н. В.И. Строганова, а также коллектив кафедры физики ДВГУПС за доброжелательное отношение к работе, участие в обсуждении результатов, помощь в проведении и постановке экспериментов.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, восьми глав, основных выводов, списка литературы и приложения. Материал изложен на 359 страницах машинописного текста, включая 152 рисунка, 15 таблиц. Библиографический список содержит 365 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

В первой главе выполнен анализ литературных данных по тонким особенностям структуры фоторефрактивного кристалла ниобата лития как фазы переменного состава. Подробно рассмотрено влияние тонких особенностей структуры и дефектов на фоторефрактивные свойства. Показаны возможности метода комбинационного рассеяния света для изучения эффекта фоторефракции. Проанализированы методы усиления и гашения фоторефракции в кристаллах ниобата лития путем внедрения «фоторефрактивных» и «нефоторефрактивных» катионов, а также путем изменения стехиометрии и состояния дефектности кристалла.

Приводится литературный обзор по записи и считыванию оптической информации в фоторефрактивных средах. Анализируются возможности записи изображения широкополосным излучением и возможности преобразования широкополосного ИК-излучения по частоте вверх в нелинейно-оптических кристаллах.

Приводится литературный обзор по поляризационно-оптическим свойствам фазовых пластинок, изготовленных из одноосных кристаллов. Рассмотрены способы

управления поляризацией света, прошедшего кристаллическую пластинку. Отмечается проблема использования фазовых пластин для широкополосного излучения.

Во второй главе описаны аппаратура и методы исследования. Большое внимание уделено особенностям выращивания номинально чистых и легированных монокристаллов ниобата лития заданного состава, а также влиянию условий выращивания на физические характеристики кристалла, подготовке образцов для исследований и проведению поляризационных измерений спектров КРС фоторефрактивных кристаллов. Для выращивания монокристаллов разного состава использовалась оригинальная гранулированная шихта ниобата лития (ТУ 0.027.039), разработанная в ИХТРЭМС КНЦ РАН. Состав шихты соответствовал составу конгруэнтного плавления (48,6 мол. % 1л20) при содержании катионных примесей на уровне ~ 5x10"4 вес. %. Монокристаллы выращивались методом Чохральского разными способами на установке «Кристалл-2». Номинально чистые и легированные монокристаллы конгруэнтного состава (Л = 0,946) выращивались из расплава конгруэнтного состава. Монокристаллы стехиометрического состава (Я = 1) выращивались двумя способами: из расплава с 58,6 мол. % 1л20, и из расплава конгруэнтного состава с добавлением флюса К20. Способ выращивания из расплава с 58,6 мол. % 1л20 позволяет получать монокристаллы стехиометрического состава только малых размеров, отличающиеся к тому же неоднородным показателем преломления вдоль оси роста. Способ выращивания из расплава в присутствии щелочного растворителя К20 перспективен для получения крупногабаритных монокристаллов стехиометрического состава, отличающихся высоким постоянством показателя преломления вдоль оси роста, пригодных для промышленного изготовления высокосовершенных оптических элементов.

Кратко описаны технические характеристики спектрометров «ДФС-24» и «Иашапог и-1000» (и их модернизации), использованных для регистрации спектров КРС, программы для обработки спектров, установки для исследования ФИРС, фотовольтаического эффекта, записи оптического изображения, преобразования широкополосного ИК-излучения по частоте в нелинейно-оптических кристаллах, установка для наблюдения коноскопических картин в широкоапертурных слаборасходящихся пучках света. Изложена методика расчета спектров пропускания кристаллических пластин.

В третьей главе представлены оригинальные результаты исследований спекл-структуры ФИРС в кристаллах ниобата лития. Методом ФИРС изучены фотореф-рактивные свойства номинально чистых кристаллов ниобата лития стехиометрического состава, выращенных методом Чохральского разными способами. Исследованы особенности индикатрисы ФИРС при различных мощностях возбуждающего излучения. Представлены результаты исследований фоторефрактивных свойств методом комбинационного рассеяния света в номинально чистых конгруэнтных и стехиометрических кристаллах ниобата лития.

В параграфе 3.1 показано, что в монокристалле ниобата лития имеет место поэтапное раскрытие трех слоев спекл-структуры ФИРС. Центральное пятно индикатрисы ФИРС появляется практически мгновенно - это след от падения лазерного излучения. Далее раскрывается второй слой, соответствующий ФИРС на статических

дефектах, наведенных лазерным излучением. И только затем развивается третий слой, соответствующий ФИРС на флуктуирующих дефектах, также наведенных лазерным излучением. При этом происходит перекачка энергии от слоя к слою (от центра к периферии) (рис. 1).

В параграфе 3.2 описаны результаты исследований ФИРС в кристаллах нио-бата лития стехиометрического состава, выращенных методом Чохральского разными способами. Методом ФИРС показано, что при больших мощностях накачки эффект фоторефракции в монокристалле 1лКГЪ03стех.К20 заметно больше, чем в монокристалле в 1лМЮ3стех. Прогрев монокристалла 1л№>03стех. до 80 °С приводит к уменьшению фоторефрактивных свойств. Установлено, что асимметричность индикатрисы ФИРС в стехиометрическом кристалле ниобата лития возрастает линейно с течением времени при мощностях возбуждающего лазерного излучения до 160 мВт (к = 532 нм, диаметр луча 1,8 мм).

В параграфе 3.3 показано, что практически всегда форма индикатрисы ФИРС света в номинально чистых кристаллах ниобата лития стехиометрического состава имеет асимметрию. Асимметрия индикатрисы рассеяния наблюдается уже внутри монокристалла, как в кристалле 1л№>03стех., так и в кристалле 1лНЪ03стех.К20 (рис. 2). Причем со временем индикатриса рассеяния изменяется. В отрицательном направлении полярной оси кристалла интенсивность рассеянного излучения уменьшается, а в положительном направлении - увеличивается. При этом растет асимметоия рассеянного излучения.

Рис. 1. Трехслойная спекл-структура ФИРС в монокристалле ниобата лития: 1 - центральный слой; 2 - второй слой; 3 - третий слой

Рис. 2. Прохождение лазерного излучения через монокристалл имЬ03стех.К20(а). Луч направлен вдоль оси У (вектор е параллелен оси 2). Сечение прошедшего через кристалл излучения (б)

Для оценки степени асимметрии индикатрисы ФИРС нами применен параметр у= а/Ь, где а - максимальный угол рассеянного излучения в положительном направлении полярной оси кристалла; Ь - максимальный угол рассеянного излучения в отрицательном направлении полярной оси кристалла. Значения параметра у при достижении насыщения ФИРС представлены в табл. 1. Параметр у, характеризующий асимметрию индикатрисы ФИРС, практически линейно зависит от мощности излучения вплоть до 160 мВт (X = 532 нм, диаметр луча 1,8 мм).

Таблица 1

Значения параметра асимметрии у индикатрисы ФИРС при разных мощностях возбуждающего излучения для кристаллов ниобата лития 1Л1ЧЬ03стех. и 1Л1ЧЬ03стех.К20

Мощность излучения, мВт Кристалл

иМЬОчетех. иМ>01Стех.К20

35 1,64 3

65 1,80 3,2

110 2,01 3,45

160 2,17 3,7

Параметр у, характеризующий асимметрию индикатрисы ФИРС, в кристалле ЫМЬ0зСтех.К20 также существенно больше, чем в кристалле, выращенном из расплава с 58,6 моль. % 1л20 (см. табл. 1). Это может свидетельствовать о том, что кристалл 1лМЬ03стех.К20 характеризуется большей дефектностью, неоднородностью состава вдоль полярной оси кристалла и повышенным значением, вследствие этого - спонтанной поляризации по сравнению с кристаллом 1л№Ю3стех.

В параграфе 3.4 рассмотрен эффект фоторефракции в кристаллах ниобата лития стехиометрического состава. Показано, что при освещении кристалла ниобата лития лазерным излучением протекают два конкурирующих процесса.

С одной стороны, при увеличении степени структурного совершенства в кристалле уменьшается количество заряженных дефектов и связанных с ними глубоких уровней захвата в запрещенной зоне. С другой стороны, при уменьшении количества мелких электронных ловушек снижается вероятность излучательной рекомбинации фотовозбужденных носителей заряда и основная часть фотоэлектронов захватывается глубокими ловушками. Следовательно, больше становятся нескомпенсиро-ванные внутренние электрические поля, влияющие на показатель преломления и определяющие фоторефрактивные свойства монокристалла. Образование таких электронных состояний («уровней прилипания»), во многом определяющих величину эффекта фоторефракции, по-видимому, обусловлено тонкими особенностями упорядочения структурных единиц катионной подрешетки кристалла вдоль полярной оси кристалла, а также дефектами с локализованными электронами, зависящими от величины Я. Следовательно, тонкие различия в упорядочении структурных единиц и дефектов в монокристаллах и№>03стех. и 1ЛМЮ3стех.К20 определяют высокую вероятность излучательной рекомбинации фотоэлектронов для ЫМЬ03стех.

В параграфе 3.5 приведены результаты исследований спектров КРС номинально чистых кристаллов ниобата лития конгруэнтного и стехиометрического составов. Показано, что по спектрам КРС можно достаточно точно определить различия в значении R, а именно по интенсивности линии с частотой 120 см"1, соответствующей двухчастичным состояниям акустических фононов с суммарным волновым вектором, равным нулю [6]. Интенсивность линии с частотой 120 см"1 чувствительна к весьма незначительным изменениям состава и структуры кристалла и может служить в качестве точного экспериментального критерия соответствия монокристалла ниобата лития стехиометрическому составу [6]. Интенсивность этой линии равна нулю в спектре КРС высокоупорядоченных монокристаллов строго стехиометрического состава (см. рис. 3). Малейшие отклонения от стехиометрии приводят к появлению линии с частотой 120 см"1 в спектре КРС [6]. Например, интенсивность линии с частотой 120 см"1 равна нулю в спектре кристалла LiNbOjCTex. и отлична от нуля в спектре кристалла LiNb03CTex.K20 (рис. 3). Ширины линий с

частотой 254 и 274 см"1, соответствующих полносимметричным (АО колебаниям катионов Li+ и Nb5+, при этом также незначительно отличаются. Ширины этих линий больше в спектре кристалла LiNb03CTex.K20, что свидетельствует о меньшем порядке в расположении катионов Nb5+, Li+ и вакансий вдоль полярной оси в катион-ной подрешетке кристалла LiNb03CTex.K20 по сравнению с катионной подрешеткой кристалла LiNb03crex. Обнаружено, что в кристалле LiNb03CTex. наблюдается периодическая структура лазерного луча вдоль направления его распространения. Для кристаллов других составов периодическая структура отсутствует.

Отметим, что в номинально чистых кристаллах ниобата лития конгруэнтного состава при облучении лазерным излучением на длине волны X = 532 нм мощностью 35 мВт (диаметр луча 1,8 мм) фоторефрактивный эффект не проявляется и, как следствие, нет ФИРС. А в стехиометрических кристаллах ниобата лития при этих же условиях ФИРС протекает достаточно ярко. Причем стехиометрический кристалл ниобата лития, выращенный в присутствии флюса К20, является наиболее фотоактивным по сравнению с кристаллом, выращенным из расплава с 58,6 мол. % Li20.

В параграфе 3.6 по характеристикам ФИРС произведена количественная оценка фотоэлектрических полей в фоторефрактивных монокристаллах ниобата лития разного состава. При возбуждении ФИРС излучением He-Ne лазера (Р = 60 мВт, X = 0,6328 мкм) наибольшей величиной фотовольтаического поля, а значит, и Ал

Рис. 3. Фрагменты спектра КРС монокристаллов ниобата лития разного состава в низкочастотной области: 1 - ШЧЬОзстех.; 2 - 1лМЮ3стех. (6 вес. % К20); е 3 - иЫЪ03стех. (4,5 вес. % К20); 4 - имЬОэконгр

обладает кристалл и№>03стех. Показано, что даже маломощное излучение гелий-неонового лазера достаточно активно возбуждает фотопроцессы в кристаллах ниобата лития стехиометрического состава, что находится в согласии с моделью фоторефрактивного эффекта в стехиометрических кристаллах [7]. При этом в кристаллах конгруэнтного состава в аналогичных условиях эксперимента фото-рефрактивный эффект и, следовательно, ФИРС отсутствуют. Такое наблюдается потому, что стехиометрические кристаллы ниобата лития, выращенные из расплава с 58,6 мол. % 1л20, обладают огромным количеством мелких ловушек электронов в запрещенной зоне [6]. Эти электроны, как показывают наши эксперименты, могут возбуждаться при облучении лазерным излучением с малой энергией, например излучением Не-№ лазера.

В четвертой главе представлены результаты исследований ФИРС в конгруэнтных кристаллах ниобата лития, легированных редкоземельными и переходными элементами и их спектры КРС. Показано, что в кристаллах ниобата лития рассеяние, аналогичное автоволновому, возникает не только при распространении излучения вдоль оптической оси кристалла, но и в направлениях, перпендикулярных, а также наклонных по отношению к оптической оси кристалла. Приведены результаты исследований влияния многократного термического отжига (на протяжении одного месяца) на структуру индикатрисы ФИРС в дальнем поле. Обнаружена термическая усталость образцов, аналогичная электрическому старению.

В параграфе 4.1 приведены результаты исследований ФИРС в конгруэнтных кристаллах 1л№Ю3:В, 1лМЮ3:У, 1л№>03:(У+1^), П№Ю3:(Та+М§). В общем виде результаты исследований ФИРС представлены на рис. 4. Из рис. 4 даже на первый взгляд видно, что ФИРС в этих кристаллах существенно различается, в том числе динамикой своего развития во времени. Обнаружены также отличия и в динамике ФИРС при разных мощностях возбуждающего излучения. Так, при прохождении через кристалл Ш1Ь03:В (0,12 вес. %) лазерного луча (Хо = 514,5 нм) мощностью 200 мВт на экране сразу проявляется трехслойная спекл-структура рассеянного излучения в виде окружности с малым углом раскрытия индикатрисы. Центральный слой (след от лазерного луча) представляет собой наиболее яркое по интенсивности пятно, второй слой имеет меньшую интенсивность свечения, и крайний по периметру слой имеет спекл-структуру в виде коротких ломаных линий. При росте мощности до 640 мВт увеличивается только контраст второго слоя спекл-структуры ФИРС. При облучении кристалла Ц№>03:В (0,12 вес. %) в течение 10 мин спекл-структура на экране не изменяется. Это хорошо наблюдается посредством прямого измерения по картине ФИРС. Отсюда следует вывод, что такая примесь, как бор В3+, является «нефоторефрактивной». Этот вывод подтверждается по спектрам КРС.

В спектре КРС кристалла 1ЖЮ3:В (0,12 вес. %) в геометрии рассеяния Х(гХ)У отсутствует линия с частотой 631 см"1 (А1СГО)), запрещенная правилами отбора для данной геометрии рассеяния. В то же время эта линия уверенно наблюдается в кристаллах, легированных «фоторефрактивными» катионами Си и Ре. Таким образом, двумя независимыми методами КРС и ФИРС установлено, что катионы В3+ являются «нефоторефрактивными» катионами.

а

б

в

LiNb03:Cu

LiNb03:Zn

LiNb03:Gd

LiNb03:Y

LiNb03:B

LiNb03:Ta

Рис. 4. Зависимость фоторефрактивного рассеяния света в кристаллах ниобата лития, легированных катионами Cu~+, Zn2, Gd3+, Y3+, В2+, Та5+, от времени при мощности облучения 160 мВт, hi = 532 нм: а - 1 с; б - 60 с; в - 360 с. Волновой вектор возбуждающего излучения направлен вдоль оси Y, а вектор напряженности электрического поля световой волны Е параллелен полярной оси Z кристалла

В параграфах 4.2 и 4.3 представлены результаты исследований фотоиндуци-рованного и комбинационного рассеяния света в конгруэнтных монокристаллах LiNb03:Zn (Czn = 0,02-г-0,88 вес. %) и LiNb03:Gd (CGd = 0,002-5-0,44 вес. %). Показано, что формы индикатрис рассеяния существенно зависят от концентрации Zn2+ и Gd3+ в кристалле и плотности мощности лазерного излучения. Кристаллы с концентрацией Gd3+ 0,003 вес. % обладают наибольшими фоторефрактивными свойствами, угол рассеяния достигает 25°. При меньшей и большей концентрациях наблюдается уменьшение угла рассеянного излучения до 14°.

Снижение фоторефрактивного эффекта может быть связано с увеличением степени упорядочения структурных единиц катионной подрешетки вдоль полярной оси кристалла и уменьшением вследствие этого количества дефектов с локализованными электронами, определяющими величину эффекта фоторефракции.

В параграфе 4.4 описаны результаты исследований зависимости ФИРС и КРС в монокристаллах 1лМЮ3:Си [0,015 вес. %]. Важно отметить то, что катионы Си, даже в малых количествах, очень неравномерно распределяются в структуре кристалла нио-бата лития. В связи с этим значительное внимание было уделено исследованию ФИРС в кристаллах, вырезанных из разных областей монокристаллической були при различных мощностях возбуждающего излучения. Показано, что ФИРС в кристаллах 1л№>03:Си [0,015 вес. %] зависит от области були, из которой вырезался образец. Это обусловлено, на наш взгляд неравномерным распределением по объему монокристаллической були дефектов с локализованными на них электронами, формирующимися в процессе роста кристалла и определяющими величину эффекта фоторефракции. Из рис. 5 видно, что это имеет место только для кристалла, легированного «нефотореф-рактивными» катионами В3+. В спектре кристалла, легированного «фоторефрактив-ными» катионами Си, способными под действием света изменять свое зарядовое состояние, вследствие наличия фоторефрактивного эффекта дополнительно присутствуют линии с частотами 631 А^ТО) и 876 А^ЬО) см", которые в отсутствие эффекта фоторефракции запрещены правилами отбора в геометрии рассеяния У(гХ)У.

Полученные нами экспериментальные данные позволяют утверждать, что катионы меди в кристалле ниобата лития являются «фоторефрактивными» и под действием света способны изменять свой заряд (Си2+ —> Си+). Однако фоторефракция, видимо, носит пороговый характер и проявляется только при сравнительно высокой плотности мощности возбуждающего лазерного излучения. Так, при возбуждении спектров КРС лазерной линией 514,5 нм аргонового лазера мощностью 200 мВт (диаметр пучка 1,8 мм) в спектре в геометрии рассеяния У(7Х)У всегда присутствуют линии с частотами 631 А ¡(ТО) и 876 А^ЬО) см"1, запрещенные правилами отбора для данной геометрии рассеяния. В то же время при мощности возбуждения 30 мВт или при возбуждении спектров линией 532 нм (диаметр лазерного пучка 1,8 мм) эти линии не проявляются в спектре в тех геометриях рассеяния, где они запрещены правилами отбора.

Y(ZX)Y

800 900

Частота, см

800 900

Частота, см"'

Рис. 5. Спектры КРС монокристаллов LiNb03:Cu [0,015 вес. %] (а) и LiNb03:B [0,12 вес. %] (ó) в области колебаний кислородных октаэдров NbO(„ >„<, = 514,5 нм; Т = 293 К

В параграфе 4.5 описывается кольцевое фотоиндуцированное рассеяние света при облучении номинально чистых и легированных железом кристаллов ниобата лития лазерным излучением в направлении оптической оси кристалла. Данное рассеяние имеет место в направлении как отраженных, так и прошедших лучей накачки. Структура и кинетика данного типа фоторефрактивного рассеяния позволяют предположить необходимость выполнения условий фазового синхронизма при векторном взаимодействии волн накачки и рассеянного света.

В параграфе 4.6. рассмотрены некоторые особенности фоторефрактивного рассеяния света в кристаллах ниобата лития при маломощной лазерной накачке (1 мВт, диаметр пучка 1 мм) в зависимости от многократного термического отжига кристалла (рис. 6). Когда угол между вектором напряженности электрического поля световой волны Е и полярной осью кристалла равен нулю (взаимодействие ее - типа), происходит вытягивание (значительное увеличение размеров) на экране «лепестков восьмерки» вдоль полярной оси кристалла. Отклонение рассеянных лучей в этом случае достигает 70-^80°. Если же вектор Е перпендикулярен полярной оси кристалла, рассеяние (оо - типа) выражено значительно слабее (угол раскрытия "лепестков восьмерки" составляет 5-И0°).

Время облучения с неполяризованным лазерным излучением до полного раскрытия «лепестков восьмерки» составляет примерно 15 мин при первоначальном облучении. При повторных облучениях и последовательных отжигах время до полного раскрытия "лепестков восьмерки" увеличивается до 85 мин.

Р»

Рис. 6. Кинетика развития центрального пятна ФИРС в кристалле иМЬСЬ.Ре (0,3 вес. %). Излучение: а - неполяризованное, Р = 2 мВт; 6 - неполяризованное, Р = 2 мВт, после многократного отжига кристалла; в - поляризованное, Р = 1 мВт, вектор Е параллелен полярной оси кристалла, после многократного отжига кристалла. Время облучения, с: 1 - 30; 2 - 2400; 3 - 5400

На рис. 6 представлены картины развития центральных пятен ФИРС, соответствующих проходящему через кристалл световому лучу. При использовании неполя-ризованного лазерного излучения центральное пятно картины ФИРС вытягивается вдоль полярной оси кристалла. Внутри пятна наблюдается определенная структура (рис. 6, а, б). В течение облучения происходят пульсации центрального пятна. При этом пятно постоянно увеличивается в размерах до насыщения. После многократного термического отжига (при температуре 200 °С) в течение 30 мин фоторефрактив-ные свойства кристалла несколько ослабевают (см. рис. 6). Вероятно, увеличивается проводимость кристалла, и электроны не могут закрепиться на ловушках, которые расположены на периферии светового пятна. Проявляется эффект термической усталости кристалла. Этот эффект отчетливо наблюдается в дальней зоне по форме центрального пятна фоторефрактивного рассеяния света при выходе на насыщение. Изменяются размеры и структура центрального пятна ФИРС.

В параграфах 4.7-4.9 приведены расчеты индикатрисы широкоуглового ФИРС, кинетики широкоуглового ФИРС, индикатрисы селективного рассеяния по углу фоторефрактивного рассеяния света в исследованных кристаллах ниобата лития.

В пятой главе представлены экспериментальные результаты исследований оптической записи изображения в кристаллах ниобата лития при освещении объектов широкополосным некогерентным излучением и сопутствующих эффектов.

В параграфе 5.1 описан фотовольтаический эффект в кристаллах ниобата лития от широкополосного излучения. Представлены кинетические зависимости фотонапряжения от времени для кристаллов ниобата лития, легированных ЯЬ (0,3 вес. %) и Ре (0,05-50,3 вес. %) с использованием широкополосного излучения. В качестве источника излучения использовалась лампа накаливания. Плотность мощности падающего излучения на входную грань кристалла составляла около 0,5 мВт/мм2. Пучок света направлялся перпендикулярно полярной оси кристалла. Напряжение снималось с серебряных электродов, напыленных на грани кристалла, перпендикулярных его полярной оси. Приведены спектральные характеристики.

В параграфах 5.2-5.4 рассматривается кинетика фотовольтаического эффекта в кристаллах ниобата лития. Показано влияние предварительно наведенных электрических полей на кинетику фотовольтаического эффекта. Если номинально чистый кристалл ниобата лития предварительно облучить (около 20 мин) широкополосным излучением, т. е. создать в нем внутреннее электрическое поле, а затем электроды кристалла закоротить между собой (непродолжительное время ~ 1+5 мин), то после замыкания электродов на входную емкость вольтметра напряжение возрастает (без облучения) по такому же закону, как и при облучении, т.е. происходит накопление заряда на гранях кристалла, перпендикулярных его полярной оси, величина которого соответствует величине напряжения. Предложена схема координатно-чувствительного приемника излучения, работающего на двух конкурирующих эффектах: фотовольтаическом и термоэлектретном.

В параграфе 5.5 приведены экспериментальные результаты записи оптического изображения в кристаллах ниобата лития в виде световых полосок, сформированных при помощи диафрагмы.

Свет от лампы накаливания фокусируется с помощью системы объективов так, что фокусное пятно диаметром 15 мм имеет однородную освещенность и падает на входную грань образца. Плотность мощности излучения составляла 0,35 мВт/мм2. Кристаллы облучались в течение 1-н15 мин. Непосредственно перед кристаллической пластинкой располагалась диафрагма, которая вырезала световую полоску размерами 1x6 мм2 (рис. 7). Световая полоска ориентируется по отношению к полярной оси кристалла под углами а = 0, 30,45, 60, 90° (ноль градусов соответствует случаю, когда световая полоска параллельна полярной оси кристалла).

Рис. 7. Запись световой полоски в кристалле 1л№>Оз:Ре (0,3 % вес.): а - а = 45°; б - а = 90°. - полярная ось кристалла

Контраст изображения определялся по формуле

Т = -100%, (1)

^шах Агап

где /щах. /тт - значения максимальной и минимальной интенсивностей записанного изображения в кристалле.

В кристаллах ниобата лития с примесью железа производится наиболее контрастная (до 64 %) запись изображения световой полоски (рис. 9). От концентрации железа зависит время записи и ее хранения (до 7 суток в темноте). В номинально чистых кристаллах запись не производится. В кристаллах, легированных ионами рутения (0,3 % вес.), меди (0,05 вес. %) и двойными примесями: железо (0,3 вес. %) с медью (0,01 вес. %), железо (0,3 вес. %) с родием (0,01 вес. %), запись изображения слабо контрастная (Т = 10^-20 %). Однако при увеличении времени экспозиции с 5 до 10-5-15 мин изображение становится контрастным (Т = 4(Ь-50 %) и визуально хорошо наблюдается. Только у кристаллов с примесью железа получается контрастная запись (Т = 5СН-60 %) при сравнительно небольшом времени облучения (1н-5 мин). В кристаллах ниобата лития с примесью родия (0,05 вес. %) производится запись с долговременной памятью (более 50 суток). Изображение стирается термическим отжигом при температуре 200 °С в течение 30 мин. Экспериментально определены условия для наилучшей записи световой полоски, они соответствуют углу а = 90° при ориентации линейно-поляризованного света параллельно полярной оси кристалла.

Визуализация изображения световой полоски производится на просвет методом фазового контраста [9] и в широкоапертурном пучке поляризованного света. Изображение фотографируется цифровой камерой и обрабатывается с помощью математического пакета MathCAD. При проецировании длинных световых полосок, ориентированных параллельно полярной оси кристалла, запись не визуализируется. Причиной этого, наиболее вероятно, является своеобразная компенсация электрических полей, наводимых светом, внутренними электрическими полями кристалла, стремящимися ослабить внешнее воздействие. Данная точка зрения хорошо подтверждается работой [10]. Показано, что в кристаллах ниобата лития записывается изображение произвольной формы, но только при условии наличия градиента освещенности в изображении, направленного вдоль полярной оси кристалла.

При перекрывании излучения наблюдается резкое падение напряжения на величину пироэлектрического заряда, а затем плавный спад по экспоненциальному закону до нуля. Первоначальный быстрый рост напряжения и резкое падение при отключении обусловлены пироэлектрическим эффектом. Плавное падение напряжения до стационарной величины наблюдается при прогреве всего кристалла, т. е. исключении влияния пироэлектрического эффекта. Плавный спад напряжения до нуля обусловлен темновой релаксацией электрического заряда.

В кристаллах ниобата лития, легированных ионами железа, запись изображения происходит за 60*100 с (Т = 25*35 %). При дальнейшем облучении кристалла LiNb03:Fe (0,3 вес. %) изображение становится более контрастным и за 300*350 с набирает контраст Т = 64 %. Изображение сохраняется контрастным (Т = 40*50 %) при комнатной температуре в темноте около суток. Установлено, что запись изображения также зависит от температуры окружающей среды. При температуре окружающей среды 40*85 °С изображение записывается в течение 8*15 мин и сохраняет контрастность Т = 40*50 % в течение 35*40 ч. Если увеличить температуру до 85 °С, то запись изображения осуществляется за 20*25 мин, а при 180 °С запись уже не производится, так как при этой температуре наведенная оптическая неоднородность стирается.

В параграфе 5.6 приведены экспериментальные результаты по записи оптического изображения в кристаллах ниобата лития в виде цифр, снежинок и т.п., сформированных при помощи реплики, нанесенной на зеркало.

При формировании изображения в кристаллах LiNb03:Fe широкополосным излучением от лампы накаливания за счет возникновения фотоиндуцированного изменения показателя преломления осуществляется запись изображения нити накаливания лампы. Изменение показателя преломления происходит локально, в области освещения кристаллов (рис. 8 и 9). На рис. 8, а представлено изображение нити накаливания электрической лампы, полученное методом фазового контраста, на рис. 8, б то же самое изображение, полученное поляризационным методом.

Следует отметить, что реплика изображения (рис. 9, а) не полностью записывается в кристалле. Составляющая, параллельная полярной оси кристалла, не записывается и не визуализируется, так как градиент освещенности в этом случае минимальный (рис. 9, б).

I 1см I 2,5 мм

_I

Рис. 9. Изображение реплики в виде снежинки, нанесенной на зеркало: а - реплика на зеркале; б - изображение реплики, записанное в кристалле Ь1№03:Ре (0,3 вес. %) и воспроизведенное поляризационным методом; Р5 - полярная ось кристалла

I 2 мм I

Рис. 8. Изображение нити накаливания электрической лампы, записанное в кристалле иКЬО^Ре (0,3 вес. %): а - полученное методом фазового контраста; б - полученное поляризационным методом. Р5 - полярная ось кристалла

В параграфе 5.7 приведены результаты исследований по ориентационно-поляризационной зависимости контраста записанного изображения нити накаливания в кристаллах ниобата лития с примесями железа 0,3 вес. % от поляризации излучения и ориентации световых полосок относительно полярной оси кристалла (табл. 2). Контраст изображения рассчитывался по формуле (1), где максимальная и минимальная интенсивности определялись как средние значения интенсивно-стей из множества точек взятых из светлых и темных областей изображения нити накаливания с помощью математического пакета МаЛСАБ.

Таблица 2

Контраст изображения в зависимости от ориентации световых полосок и вектора Е

Ориентация световых полосок по отношению к полярной оси кристалла, град Ориентация вектора Е световой волны по отношению к полярной оси кристалла, град Контраст изображения Т, %

90 0 63,4

90 45 54,7

90 90 44,2

45 0 42,0

45 45 31,6

45 90 22,7

0 0 0

0 45 0

0 90 0

Видно, что при параллельной ориентации световых полосок при любом положении вектора Е контраст равен нулю и запись изображения в кристалле не реализуется. Если же полоски перпендикулярны полярной оси кристалла, то контраст максимальный. Запись изображения реализуется. Изменение положения вектора Е при этом приводит лишь к незначительному снижению контраста.

Таким образом, запись изображения в фоторефрактивном кристалле при использовании широкополосного излучения реализуется при наличии градиента интенсивности <£//& в записывающем пучке в направлении, совпадающем с направлением полярной оси кристалла. Величина Ал пропорциональна ¿//¿г. Важно отметить то, что при записи изображения в фоторефрактивных кристаллах широкополосным излучением отсутствует такой мешающий эффект, как ФИРС. Данный эффект всегда присутствует при записи фоторефрактивных решеток (фоторефрактивных голограмм). Это обусловлено тем, что фотоиндуцированное рассеяние света является когерентным эффектом.

В параграфе 5.8 приведены результаты записи оптической информации в сте-хиометрических кристаллах ниобата лития. Запись лазерного луча производилась в течение 5 и 12 мин. Установлено, что лазерный трек в монокристалле может существовать длительное время, определяемое временем максвелловской релаксации. Время релаксации для кристалла, находящегося в полной темноте, может достигать один год. Для ускорения релаксации измененного показателя преломления нами применялся термический отжиг монокристалла в воздушной атмосфере при температуре 200 °С в течение получаса, а также однородная засветка.

Таким образом, нами впервые получены экспериментальные данные о возможности записи информации в номинально чистых монокристаллах ниобата лития стехиометрического состава. Запись информации в стехиометрических кристаллах возможна, вероятно, вследствие наличия в объеме таких монокристаллов

значительного количества электронов, локализованных на собственных дефектах структуры, являющихся сравнительно неглубокими ловушками.

В шестой главе представлены расчеты преобразованного спектра широкополосного излучения по частоте вверх в кристаллах ниобата лития и его экспериментальная реализация. Изучено влияние стехиометрии на эффективность преобразования широкополосного излучения кристаллами ниобата лития по частоте вверх.

В параграфе 6.1 приведены расчеты спектра преобразованного широкополосного излучения в кристалле ниобата лития для случаев векторного и коллинеар-ного взаимодействия по частоте вверх. Полная интенсивность преобразованного излучения 1(ш3) на частоте со3 обеспечивается вкладом всех частот Ш] и а>2, равноотстоящих от СО3/2. Спектральная интенсивность преобразованного излучения при коллинеарном взаимодействии определяется выражением

= л'{ /,И)/2ю <т. (2)

О (Д&/2г

При расчете спектра по частоте вверх преобразованного широкополосного расходящегося излучения в кристаллах учитывались векторные нелинейно-оптические взаимодействия. При распространении расходящегося пучка в кристалле возможно взаимодействие волн с волновыми векторами к] и к2 (Ш] Ф ю2), которые располагаются несимметрично относительно волнового вектора кз преобразованной волны. Показано, что интенсивность преобразованного широкополосного излучения с учетом векторных взаимодействий вдоль одного направления 0' определяется выражением

• /И.£0 = А) 7(3)

где а - половина угловой расходимости падающего пучка широкополосного теплового излучения. Интенсивность преобразоранного широкополосного излучения с учетом векторных взаимодействий по всем возможным направлениям в пределах угловой апертуры исходного ИК-излучения определяется выражением

0+а а й^/2 . 2/11

13«Ъ,(?) = А Л (4)

» » (Дкг/А)

где 9 - угол, под которым излучение распространяется в кристалле.

В параграфе 6.2 экспериментально исследованы особенности преобразования широкополосного теплового излучения в кристаллах ниобата лития разного состава. Обнаружено, что спектр преобразованного излучения от одного и того же ИК-объекта при одинаковых условиях регистрации в сильной степени зависит от вида используемого кристалла, его толщины, среза и типа взаимодействия. Однако в значительной степени спектр преобразованного излучения зависит также от точности настроек системы. По этой причине, к сожалению, нельзя однозначно констатировать цифровые значения параметров преобразованного широкополосного теплового излучения в нелинейных кристаллах. Но можно с достаточной уверенностью заявлять о тонких особенностях строения кристаллов, а также об особенностях локализации в структуре примесных катионов. Спектр чрезвычайно

чувствителен к изменениям структуры кристалла и при одинаковых настройках системы можно уверенно обнаруживать отличия в одинаковых параметрах спектров (сравнивая их с эталонным спектром) кристаллов разного состава.

Показано, что при преобразовании ИК-излучения в кристаллах стехиометри-ческого и близкого к стехиометрическому составов (по сравнению с конгруэнтным кристаллом) происходит смещение максимума преобразованного излучения в коротковолновую область. Наибольшее смещение имеет строго стехиометричес-кий кристалл. При этом наблюдается сужение спектральной линии (табл. 3).

Таблица 3

Эффективность преобразования теплового широкополосного излучения в нелинейных кристаллах

№ п/п Образец Площадь под кривой Среднеквадратическое отклонение Полуширина спектра, нм

1 1л№)03 конг. 432,729 29,413 31

2 иЫЪО, (К20 6 мол. %) 591,095 26,503 24

3 1л№Ю3 стех. 306,663 22,366 22

4 1л1"ПЮ3:Ег (3,1 вес. %) 651,04 22,692 32

5 1лМЬ03:СИ (0,5 вес. %) 496,178 18,771 68

6 иЫЬ03:гп (0,018 вес. %) 358,68 19,165 60

7 Ь1МЬ03:2п (0,03 вес. %) 423,731 19,29 59

8 1л№>03:гп (0,52 вес. %) 502,375 22,232 64

9 ПИЬОз^п (0,62 вес. %) 503,347 23,072 63

Наиболее узкая полуширина линии (22 им) наблюдается у строго стехиометриче-ского кристалла, что подтверждено также спектрами КРС и спектрами преобразованного теплового излучения. В конгруэнтных кристаллах максимум преобразованного излучения приходится на 525 нм, а в стехиометрических на 495 нм.

В параграфе 6.3 показано, что положение максимума в спектре преобразованного широкополосного излучения определяется зависимостью показателей преломления от состава кристалла ниобата лития, в том числе от особенностей упорядочения структурных единиц катионной подрешетки (рис. 10). При увеличении отношения Я в кристалле ниобата лития повышается степень упорядочения его катионной подрешетки, но одновременно увеличивается и неоднородность показателя преломления вдоль полярной оси кристалла, существенно влияющая на фазовый синхронизм. При этом максимум спектра преобразованного широкополосного излучения смещается в область коротких длин волн, а эффективность преобразования уменьшается (см рис. 10). Изменение отношения Я на тысячные доли приводит к смещению максимума на 1СН-30 нм.

Отметим, что существенный вклад в уменьшение эффективности преобразования в монокристалле 1л№Ю3стех., характеризующемся высокой концентрацией дефектов с локализованными электронами, может вносить также эффект фоторефракции, который в монокристалле Ы№Ю3стех. намного больше, чем в монокристаллах 1лЫЮ3конгр. и иМЬ03:7п.

Длина волны,нм

Рис. 10. Спектры преобразованного широкополосного излучения: 1 - LiNb03 стех. (58,6 мол. % Li20); 2 - LiNb03 конгр.; 3 - LiNb03:Zn (0,018 вес. %); 4 - LiNb03:Zn (0,03 вес. %); 5 - LiNb03:Zn (0,52 вес. %); 6 - LiNb03:Zn (0,62 вес. %);

7 - LiNb03:Zn (0,88 вес. %)

В седьмой главе рассматривается электрооптическая модуляция широкополосного излучения. Теоретически предложена схема электрооптического модулятора широкополосного излучения на основе двух идентичных монокристаллов ниобата лития, работающего на поперечном электрооптическом эффекте.

В параграфе 7.1 описывается принципиальная схема разработанного электрооптического модулятора широкополосного излучения (рис. 11). Электрооптический модулятор содержит два идентичных анизотропных электрооптических кристалла, поляризатор, два анализатора, источник немонохроматического излучения и генератор управляющего электрического поля. Оптические оси кристаллов параллельны друг другу и перпендикулярны направлению распространения излучения, а оси пропускания поляризатора и анализаторов параллельны друг другу и расположены под углом 45 градусов к оптическим осям кристаллов.

6 3 1 4 2 5

Рис. 11. Схема электрооптического модулятора: 1,2- анизотропные электрооптические кристаллы; 3 - поляризатор; 4, 5 - анализаторы; 6 - источник немонохроматического излучения; 7 - генератор

Генератор управляющего электрического поля электрически связан с кристаллом 2. Причем напряженность управляющего поля перпендикулярна направлению излучения. В качестве анизотропных электрооптических кристаллов выбраны кристаллы 1л№)0з с длиной 1=1 см в направлении распространении света, и толщиной с! = 1 мм вдоль направления управляющего электрического поля.

Управляющее электрическое поле напряжением и изменяет показатели преломления обыкновенного и необыкновенного лучей в кристалле 2 на всех длинах волн за счет электрооптического эффекта. Для каждой длины волны происходит уменьшение интенсивности излучения на выходе анализатора 5.

Интенсивность излучения /, на каждой длине волны в этом случае описывается формулой

где ^ - длина волны падающего излучения; I — длина кристалла в направлении распространения света; г/ - толщина кристалла вдоль управляющего поля; V — приложенное напряжение; паипе- показатели преломления для обыкновенного и необыкновенного лучей; г\3 и г33 - электрооптические коэффициенты кристалла.

Суммарная интенсивность прошедшего через модулятор излучения складывается из интенсивностей на всех длинах волн и зависит от величины управляющего электрического поля. Она максимальна при отсутствии поля и минимальна при приложении к кристаллу 2 полуволнового напряжения. Таким образом, изменение управляющего поля от нуля до полуволнового напряжения Мт приводит к изменению интенсивности излучения, проходящего через электрооптический модулятор, от максимального значения до минимального, т. е. возникает электрооптическая модуляция немонохроматического излучения. Суммарная интенсивность излучения на выходе модулятора при отсутствии напряжения в несколько раз выше, чем интенсивность излучения в случае приложения полуволнового напряжения, что свидетельствует о высокой глубине модуляции.

Модулятор имеет значение полуволнового напряжения 240 В и глубину модуляции более 80 % для немонохроматического излучения диапазоном 530*590 нм, и 87 % для диапазона 540*580 нм.

В параграфе 7.2 рассматривается электрооптическая модуляция широкополосного излучения с гауссовым распределением амплитуды по спектру. Показано, что между лучами появляется дополнительная разность фаз Дери- Для каждой длины волны происходит уменьшение интенсивности излучения на выходе из анализатора 5. Т.е. суммарная интенсивность излучения в этом случае равна

/=17; =Х/0;«"2 1 /2^2 (Л(Р02 + АфС/ И=

и /2Х^\,

(6)

где <1 - толщина кристалла вдоль направления приложенного электрического поля; и - приложенное напряжение; г]3, г33 - электрооптические коэффициенты.

В спектре излучения (за анализатором 5) появляются при приложении к кристаллу полуволнового напряжения дополнительные максимумы интенсивности. Количество максимумов и минимумов становится в два раза больше по сравнению со случаем, когда напряжение отсутствует.

Повышение электрического поля приводит к уменьшению интенсивности выходного излучения (рассчитываемой по формуле (6)). Глубина модуляции достигает 90 %. Нарушение однородности электрического поля может исказить параметры работы модулятора, поэтому при конструировании реальных устройств необходимо учитывать форму и конфигурацию электродов. Также подбирая размеры кристаллов, можно значительно уменьшить величину управляющего напряжения.

Исследованный способ электрооптической модуляции широкополосного излучения снимает жесткие требования к ширине спектрального диапазона источников при сохранении высокой глубины модуляции и может работать как затвор при повороте направления пропускания анализатора 5 на 90°.

В параграфе 7.3 рассматривается электрооптическая модуляция широкополосного излучения в системе двух идентичных анизотропных кристаллов. Анализ показывает, что суммарная интенсивность излучения на выходе модулятора при отсутствии напряжения в 7,5 раз выше, чем интенсивность излучения в случае приложения полуволнового напряжения, что свидетельствует о глубине модуляции порядка 80 %.

Предложенная схема электрооптического модулятора является термостабильной, так как в случае изменения температуры в кристаллах возникает одинаковая добавочная разность фаз (по причине их одинаковых размеров). Это приводит к тому, что максимумы и минимумы в спектре на выходе из модулятора изменяют свое положение, но не суммарную интенсивность, следовательно, это не приводит к нарушению работы модулятора и уменьшению глубины модуляции.

В параграфе 7.4 описывается метод контроля идентичности фазовой пластины. Показано, что используя систему «поляризатор - эталон - кристалл - анализа-« тор», можно по спектру проходящего излучения контролировать соответствие второго (исследуемого) образца, например четверть- или полуволновой пластинки. Для такого контроля необходимо эталонную и исследуемую пластинку с взаимно ортогональными главными сечениями расположить между скрещенными поляризатором и анализатором под углом 45° к направлениям их пропускания. Точность контроля определяется погрешностью измерительного оборудования и при уровне погрешности 1 % точность толщины для кварцевой пластинки, рассчитанной на 0,6328 мкм, составляет 0,7 мкм.

В восьмой главе рассмотрен способ управления спектром пропускания кристаллической пластинки путем поворота главного сечения кристалла и поворотом плоскости пропускания анализатора. Теоретически рассмотрена возможность управления поляризационными характеристиками излучения, прошедшего фазовую пластинку, путем поворота главного сечения кристаллической пластинки. Проработаны варианты использования как лазерного, так и теплового широкопо-

лосного излучения. Представлены результаты исследований оптических кристаллов в широкоапертурных слаборасходящихся пучках света. Изучены интерференционные явления коноскопических картин, получаемых от двух кристаллических пластинок. Показано, что на фоне коноскопической картины, полученной в широкоапертурных слаборасходящихся пучках, удобно наблюдать и исследовать оптические неоднородности в объеме кристалла.

В параграфе 8.1 приведен способ управления спектром пропускания кристаллической пластинки. В общем случае рассмотрены спектры пропускания системы, состоящей из поляризатора, кристалла (кристаллов) и анализатора, а также определены характеристики поляризованного излучения, прошедшего через кристаллическую пластинку (или пластинки).

Показано, что при скрещенных направлениях пропускания поляризатора и анализатора для угла поворота кристаллической пластинки (плоскости главного сечения кристалла) а = 45° спектр является линейчатым. При этом интенсивность света в спектре пропускания зависит от угла поворота плоскости главного сечения кристаллической пластинки а относительно направления пропускания поляризатора. Спектр излучения, прошедшего через фазовую пластинку, зависит от величин углов а, Р (($ - угол поворота анализатора относительно скрещенного направления пропускания поляризатора и анализатора) и может быть линейчатым, сплошным или на фоне сплошного - частично линейчатым. При (3 < а и Р > а на фоне сплошного спектра наблюдается линейчатый спектр, интенсивность которого меняется в зависимости от соотношения углов аир (рис. 12). При Р = а линейчатый спектр исчезает, остается только сплошной спектр.

Такая характерная зависимость интенсивности 3 выходящего из системы излучения от величины угла а позволяет экспериментально устанавливать кристаллическую пластинку в нужное положение, т.е. ориентировать оптическую ось кристалла относительно направления пропускания поляризатора.

Изменяя направление пропускания анализатора (угол Р), можно измерить положение оптической оси пластинки (угол поворота а) относительно плоскости пропускания поляризатора, используя равенство а = р, при котором линейчатый спектр исчезает (остается только сплошной). Например, на рис. 12, а присутствует только линейчатый спектр. Кривая 1 (рис. 12) определяет максимальные значения интенсивности сплошного спектра. В случае рис. 12, б присутствует сплошной спектр - кривая 2 определяет его интенсивность, и на фоне сплошного - линейчатый (кривая 1 рис. 12). Точка Р = а = 30° соответствует исчезновению линейчатого спектра. Отметим, что данные свойства системы позволяют, при необходимости, достаточно точно ориентировать (задавать) положение оптической оси кристаллической пластинки, устранив все неточности ее положения.

Шо, отн. ед. 1

15 30 45 60 75 90

а, град

15 30 45 60 75 90

ос, град

Л/о, отн. ед. 1

Л]о, отн. ед. 1

15 30 45 60 75 90

а, град

15 30 45 60 75 90

а, град

Шо, отн. ед. 1

О ' 15 30 45 60 75 90 ГрЭД

Рис. 12. Зависимость /лр от а:

1 - Лил (интенсивность линейчатого спектра на фоне сплошного);

2 - Лпт (интенсивность сплошного спектра); а - Р = 0°; б - 0 = 30°; в - р = 45°; г - р = 60°; д - р = 90°

В параграфе 8.2 показано, что спектром пропускания системы, состоящей из двух фазовых пластинок, можно управлять в значительных пределах при повороте пластинок относительно друг друга (оптические оси остаются в параллельных плоскостях) и относительно направления пропускания поляризатора, а также при вращении анализатора.

Известно, что спектр пропускания двух кристаллических пластинок, размещенных между поляризатором и анализатором, соответствует суммарной и разностной (£^1—</2) толщинам кристаллических пластинок при параллельном и перпендикулярном ориентировании плоскостей главных сечений пластинок соответственно. Нами более подробно изучены особенности такой системы. Излучение от широкополосного источника коллимируется, пропускается через рассматриваемую систему и регистрируется спектрографом ДФС-452. На выходе из спектрографа установлена электронная система регистрации спектров. В рассматриваемой системе луч, прошедший через поляризатор, разбивается в первой кристаллической пластинке на два: обыкновенный о и необыкновенный е, затем повторно каждый из лучей (о, ё) разбивается во второй пластинке также на два луча (о и е). Из второй пластинки выходят четыре луча. Через анализатор пройдут световые лучи с компонентами векторов напряженности электрических полей Е, параллельными плоскости пропускания анализатора. Проецируя векторы Е всех лу-

J=J,

чей, образовавшихся после прохождения двух кристаллов, на плоскость пропускания анализатора и учитывая их фазы, найдем интенсивность J излучения на выходе из анализатора, принимая что 7-Е2:

"sin2 (а + у - P)(cos2 (а) cos2 (у) + sin2 (a)sin2 (у))+ + cos2 (а + у - pXcos2 (a)sin2 (у) + sin2 (a)cos2 (у))- 0,5 cos(2a)sin(2y)sin(2a + 2у - 2P)cos(2jk/2A 2 / А.)+ + 0,5sin(2a)sin(2y)cos(2a + 2y-2P)cos(2tó1A1/X,)- . О)

- 0,5sin(2a)cos2 (y)sin(2a +

+ 0,5sin(2a)sin2(y)sin(2a+2y-2p)cos(2jr(d1A1 -d2A2)/X) где A, = n¡ -n°, Д2 =n[ -ni - разности показателей преломления для первой и второй кристаллических пластинок соответственно; dx, d2 - толщины первой и второй кристаллических пластинок соответственно; a - угол между плоскостью пропускания поляризатора и плоскостью главного сечения первого кристалла (пластинки); у - угол между плоскостями главных сечений кристаллических пластинок; Р - угол поворота плоскости пропускания анализатора относительно плоскости пропускания анализатора, когда он находится в скрещенном положении с поляризатором. Углы a, р положительны при повороте первой пластинки и анализатора по ходу часовой стрелки; у положителен при повороте второй пластинки против хода часовой стрелки. Jo - интенсивность прошедшего излучения при a = 0°; у = 0°; Р = ± 90°.

Нами обнаружен эффект компенсации влияния одной из пластинок на спектр проходящего излучения. Показано, что эффект компенсации имеет место для a = у = 45° при Р = 0° (ф - угол между плоскостями главных сечений первой и второй кристаллических пластинок). При a = у_= 45° (р = 0°) интенсивность излучения

1

Ja = 2J°

i 2тс . ,

osx

(8)

где 70 - интенсивность излучения при у = 0°; - толщина первой пластинки; А] -разность между показателем преломления обыкновенного и необыкновенного лучей кристаллической пластинки; А, - длина волны.

В параграфах 8.3-8.5 рассматривается управление поляризационными характеристиками излучения, прошедшего фазовую пластинку. Показано, что поляризационные характеристики находятся в зависимости от изменений набега фаз световых волн, а также от угла поворота фазовой пластинки. Рассматривается эллиптичность немонохроматического излучения, прошедшего фазовую пластинку, две фазовые пластинки. Установлено, что при прохождении немонохроматического света через систему фазовых пластинок для любой длины волны существуют два взаимно перпендикулярных положения поляризатора, при которых излучение, выходящее из стопы, линейно поляризовано. Обосновано использование параметрического способа построения эллипса поляризации излучения и определения его характеристик как более удобного и наглядного по сравнению с другими известными методами, особенно при использовании нескольких кристаллических пластинок. Показано, что используя две и более кристаллических пластинок произ-

вольной толщины, можно путем поворота главных сечений кристаллических пластинок относительно направления пропускания поляризатора настраивать систему на любую длину волны для задания любого вида поляризации излучения.

В параграфе 8.6 описаны результаты исследований оптических кристаллов в широкоапертурных слаборасходящихся пучках света. В зависимости от ориентации кристалла в оптической схеме получены необычные коноскопические картины в виде колец, эллипсов, параллельных полос. На вид интерференционных линий (изогир и изохор) влияют внешние электрические и тепловые поля. При наличии градиента электрического или теплового поля коноскопическая картина деформируется: появляется изгиб интерференционных линий по направлению приложенного электрического или теплового поля. Скорость движения интерференционных линий зависит от величины градиента электрического или теплового полей. Продемонстрирована возможность применения коноскопического метода исследования качества оптических кристаллов на наличие оптических неоднородностей с использованием широкоапертурного слаборасходящегося пучка света.

В параграфе 8.7 показано, что при отклонении оптической оси кристалла от плоскости входной грани кристалла коноскопическая картина трансформируется от двух семейств гипербол (х-срез) до параллельных полос. Определена линейная зависимость между удалением геометрического центра рассчитанной коноскопи-ческой картины от отклонения оптической оси кристалла и плоскостью входной грани кристалла.

В параграфе 8.8 рассмотрена интерференция коноскопических картин в широкоапертурных слаборасходящихся пучках света от двух кристаллических пластинок. При использовании двух близко расположенных кристаллов наблюдается интерференция между коноскопическими картинами кристаллов. Результат интерференции коноскопических картин зависит от угла у между плоскостями главных сечений кристаллических пластинок. При вращении одной из пластинок вокруг нормали к ее плоскости, совпадающей с направлением распространения света, результирующая картина плавно изменяется от прямых параллельных полос до сетки с прямоугольными ячейками.

Для определения вида коноскопической картины от двух кристаллических пластинок предложено использовать векторную модель. Введем для каждого кристалла волновой вектор коноскопической картины = — и к2= — , где А] и Л2 -

Л, л2

расстояние между максимумами интенсивности соседних интерференционных полос. Рассматриваемые векторы направлены перпендикулярно интерференционным полосам. По коноскопическим картинам от каждого кристалла определяем Л1 (1,85 мм) и Л2 (3,8 мм). Тогда кх = 3,4мм1 и к2 «1,65мм"1.

Волновой вектор где Л3 - расстояние между максимумами интенсив-

ности соседних интерференционных полос. Суммарный вектор интерференционной картины определим как сумму волновых векторов каждой, т.е. £3 = + £2. что является своеобразным законом сложения в векторной форме интерференционных коноскопических картин.

Модуль вектора £3 находим по теореме косинусов к] = + к1 - 2к1кг со.ф80° - у).

Предложенный векторный характер интерференции коноскопических картин применим, как показали наши расчеты, и в общем случае, когда оптические оси в кристаллических пластинках расположены произвольным образом.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе проведенного исследования получены следующие основные результаты:

1. Методами ФИРС и спектроскопии КРС выполнены комплексные оптические и структурные исследования широкого класса номинально чистых и легированных редкоземельными и переходными элементами монокристаллов ниобата лития, выращенных методом Чохральского разными способами. Главное внимание было уделено установлению связей между особенностями ФИРС, основными параметрами линий в спектре КРС, тонкими особенностями структуры, дефектами, сегнетоэлек-трическими и фоторефрактивными свойствами монокристаллов. Впервые исследовано ФИРС в номинально чистых монокристаллах стехиометрического состава, выращенных из расплава с 58,6 моль % 1Л20 (1л№Ю3стех.), и в монокристаллах стехиометрического состава, выращенных из расплава конгруэнтного состава в присутствии флюса К20 (1лМЮ3стех.К20). Обнаружено, что при больших мощностях накачки эффект фоторефракции и асимметрия индикатрисы ФИРС в монокристалле ЫМЪ0зСтех.К2О намного больше, чем в монокристалле в 1лМЮ3стех. По параметрам ФИРС определены фотоэлектрические поля в кристаллах ниобата лития разного состава. В стехиометрических кристаллах фотоэлектрические поля достигают наибольших значений по сравнению с конгруэнтными кристаллами.

2. По спектрам КРС показано, что метод выращивания монокристаллов ниобата лития стехиометрического состава из расплава конгруэнтного состава с добавлением флюса К20 не позволяет выращивать монокристаллы строго стехиометрического состава. Установлено, что в кристаллах 1ЖЮ3стех.К20 наблюдается больший беспорядок в расположении катионов вдоль полярной оси, чем в кристаллах 1л№>03стех. В высокосовершенных монокристаллах локализация электронов в структуре происходит на более глубоких ловушках в запрещенной зоне. Это уменьшает количество фотоэлектронов, дрейфующих в поле, возникшем при освещении кристалла, и соответственно приводит к уменьшению эффекта фоторефракции. Установлено, что легирование кристаллов ниобата лития конгруэнтного состава катионами Ос! В , У Та5+ приводит к подавлению фоторефрактивного эффекта, что выражается в отсутствии динамики развитая индикатрисы ФИРС и в уменьшении в спектре КРС интенсивности линий, запрещенных для данной геометрии рассеяния, но проявляющейся вследствие фоторефрактивного эффекта. Двойное легирование катионами (Т3+и Mg2+) и (Та5+ и кристаллов конгруэнтного состава также приводит к подавлению фоторефрактивного эффекта но, в отличие от легирования Ос13+, В3+, У +, Та +, подавление происходит в процессе облучения, наподобие частичной самофокусировки излучения. Показано по спектрам КРС, что катионы В3+ приводят к полному гашению фоторефракции в кристаллах ниобата лития - отсутствию запрещенных линий, обусловленных фоторефрактивным эффектом.

3. Установлено, что запись изображения в кристаллах ниобата лития реализуется при наличии градиента интенсивности записывающего пучка направленного вдоль полярной оси кристалла. Изменение показателя преломления кристалла пропорционально ¿Шйг. Показано, что контраст изображения зависит от направления поляризации падающего излучения и в значительной степени - от ориентации световых полосок относительно полярной оси кристалла. При записи изображения объектов в ФРК широкополосным излучением негативное влияние ФИРС исключается. Показано, что в кристаллах ниобата лития проявляется эффект термической усталости при многократном отжиге в течение 30 мин при 200 °С, аналогичный эффекту электрического старения кристаллов. В монокристаллах ниобата лития стехиометрического состава впервые получен лазерный трек, сохраняющийся длительное время (месяцы) в темноте. Этот факт указывает на возможность записи информации лазерным излучением. Однако ФИРС, проявляющееся в таких кристаллах, является лимитирующим фактором для практического применения кристаллов в качестве оптических материалов. В то же время в монокристаллах конгруэнтного состава, где ФИРС существенно меньше, запись информации лазерным излучением отсутствует.

4. Показано, что различия соотношения 1Л/№> и в упорядочении структурных единиц катионной подрешетки в кристаллах ниобата лития можно обнаружить, используя спектры преобразованного широкополосного излучения. Положение максимума спектра, соответствующего длине волны 90-градусного фазового синхронизма Ао, заметно смещается даже при незначительных изменениях состава кристалла и состояния упорядочения структурных единиц катионной подрешетки вдоль полярной оси и может служить в качестве точного экспериментального критерия определения отношения ЬШЬ в кристалле ниобата лития. В спектре высоко-упорядоченных кристаллов строго стехиометрического состава (1л№>03 стех.) максимум соответствует длине волны Хо = 495 нм.

5. Теоретически разработан электрооптический модулятор широкополосного излучения на базе двух идентичных кристаллов ниобата лития. Модулятор имеет низкое значение полуволнового напряжения, что обусловлено высокими значениями электрооптических коэффициентов кристаллов 1л1ЧЬ03, и работает на поперечном электрооптическом эффекте. Преимущество поперечного электрооптического эффекта заключается в том, что уменьшения значения полуволнового напряжения можно достичь, уменьшая толщину второго кристалла вдоль направления управляющего электрического поля. Модулятор имеет значение полуволнового напряжения 240 В и глубину модуляции более 80 % для широкополосного излучения диапазоном 530+590 нм, и 87 % для диапазона 540+580 нм. Предложен метод контроля идентичности фазовой пластины. Показано, что используя систему «поляризатор - эталон - кристалл - анализатор», можно по интенсивности проходящего излучения контролировать соответствие второго (исследуемого) образца, например четверть- или полуволновой пластинке.

6. Показано, что в системе «поляризатор - кристалл - анализатор» существует характерная точка перехода линейчатого спектра в сплошной, по которой можно определять или устанавливать заданное значение угла между направлением про-

пускания поляризатора и главным сечением кристаллической пластинки. В системе, содержащей поляризатор, анализатор и две кристаллических пластинки, расположенные между ними, можно в значительной степени управлять спектром пропускания за счет поворота плоскостей главных сечений кристаллических пластинок (изменяя эффективную толщину пластинки от di~d2 ДО +dj) или за счет поворота плоскости пропускания анализатора. Обнаружен эффект компенсации влияния одной из пластинок на спектр проходящего излучения.

7. Параметрический метод построения эллипса поляризации излучения, прошедшего через систему кристаллических пластинок, является простым, наглядным и информативным по сравнению с другими существующими методами. Показано, что с помощью двух кристаллических пластинок можно настраивать систему на любую длину волны для задания произвольного вида поляризации путем поворота кристаллических пластинок относительно направления пропускания поляризатора. В широкоапертурных слабо расходящихся пучках света наблюдаются своеобразные коноскопические картины оптических кристаллов, вид которых существенным образом зависит от угла падения пучков и толщины образцов. Использование широкоапертурных слабо расходящихся пучков света позволяет обнаружить оптические неоднородности кристалла, как приобретенные в процессе роста кристалла, так и наведенные лазерным излучением. Показано, что интерференция коноскопических картин при использовании двух и более близко расположенных оптических кристаллов укладывается в рамки векторной модели.

ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1.Кузьминов Ю.С. Электрооптический и нелинейно-оптический кристалл ниобата лития. М.: Наука, 1987. 264 с.

2. Гурзадян Г.Г., Дмитриев В.Г., Никогосян ДН. Нелинейно-оптические кристаллы. Свойства и применение в квантовой электронике. М.: Радио и связь, 1991.160 с.

3. Peter Gunter, Jean Pierre Huignard. Photorefractive Materials and Their Applications 3 Applications. NY.: Springer Science + Business Media: LLC, 2007. 365 p.

4. Мустель E.P., Парыгин B.H. Методы модуляции и сканирования света. М.: Наука, 1970. 295 с.

5. Milton A.F. Upconversion a system view // Appl. Opt. 1972. V.ll. P. 2311-2330.

6. Сидоров H.B., Волк T.P., Маврин Б.Н., Калинников В.Т. Ниобат лития: дефекты, фоторефракция, колебательный спектр, поляритоны. М.: Наука, 2003.255 с.

7. Peter Gunter, Jean Pierre Huignard. Photorefractive Materials and Their Applications 2 Basic effects. NY.: Springer Science + Business Media: LLC, 2007. 640 p.

8. Volk T., Wohlecke M. Lithium niobate. Defects, photorefraction and ferroelectric switching. - Berlin: Springer, 2008. 250 p.

9. Ахманов C.A., Никитин С.Ю. Физическая оптика. M.: Изд-во МГУ, 1998. 656 с.

10. Карпец Ю.М., Строганов В.И., Марченков Н.В., Емельяненко A.B. Спекл-структура излучения, рассеянного фоторефрактивным кристаллом // Оптика и спектроскопия. 1989. Т. 67. № 4. С. 982-985.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Монографии

1. Максименко В.А., Сюй A.B., Карпец Ю.М. Фотоиндуцированные процессы в кристаллах ниобата лития. М.: Физматлит, 2008. 96 с.

2. Сюй A.B. Интерференционно-поляризационные характеристики излучения, прошедшего кристаллические пластинки. Хабаровск: изд-во ДВГУПС, 2008. 99 с.

3. Сюй A.B. Запись изображения в кристаллах ниобата лития широкополосным излучением. Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2008. 80 с.

4. Сюй A.B., Сидоров Н.В., Антонычева Е.А. Фоторефрактивные свойства и особенности строения нелинейно-оптического кристалла ниобата лития. Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2011.108 с.

В журналах, рекомендованных ВАК РФ

5. Карпец Ю.М., Максименко В.А., Скоблецкая О.В., Строганов В.И., Сюй A.B. Кольцевые структуры при фоторефрактивном рассеянии света в кристалле LiNb03:Fe // Оптика и спектроскопия. 2001. Т. 91. №6. С. 907-908.

6. Сюй A.B., Строганов В.И., Криштоп В.В., Лихтин В.В. Влияние широкополосного некогерентного излучения на фотоотклик в кристаллах ниобата лития // Оптика и спектроскопия. 2008. Т. 104. № 1. С. 136-139.

7. Syuy A.V., Stroganov V.l. Interference of conoscopic pictures of optical crystals II Optics Communications. 2008. V. 281. P. 5935-5938.

8. Сюй A.B., Строганов В.И., Лихтин B.B. Запись изображения в легированных кристаллах ниобата лития // Физика твердого тела. 2009. Т. 51. № 7. С. 1382-1384.

9. Антонычева ЕЛ., Сюй A.B., Сидоров Н.В., Чуфырев П.Г., Яничев A.A. Рассеяние света в нелинейно-оптических фоторефрактивных монокристаллах LiNb03:Cu и LiNb03:Zn // Журнал прикладной спектроскопии. 2010. Т. 77. № 1. С. 89-94.

10. Сидоров Н.В., Антонычева Е.А., Сюй A.B., Палатников М.Н. Фоторефрактивные свойства монокристаллов ниобата лития стехиометрического состава // Кристаллография. 2010. Т. 55. № 6. С. 1079-1084.

11. Антонычева Е.А., Сюй A.B., Сидоров Н.В., Яничев A.A. Фоторефрактив-ное рассеяние света в кристалле LiNb03:Cu // Журнал технической физики. 2010. Т. 80. №6. С. 125-127.

12. Syuy А.V., Stroganov V.l., Antonycheva E.A., Shtarev D.S., Orientationally-polarized dependence of image contrast in doped Lithium Niobate crystals // Optik - International Journal for Light and Electron Optics. 2011. V. 122. P. 1275-1278.

13. Сидоров H.B., Сюй A.B., Палатников M.H., Калинников В.Т. Трехслойная спекл-структура в фоторефрактивном монокристалле ниобата лития // Доклады академии наук. 2011. Т. 437. № 3. С. 352-355.

14. Sidorov N.V., Evstratova D.V., Palatnikov M.N., Syuy A.V., Gaponov A.Yu. and Antonycheva E.A., Investigation of Lithium Niobate Photorefractive Properties by Photorefractive Light Scattering and Raman Spectroscopy II Ferroelectrics. 414:1-8,2011.

15. Сидоров Н.В., Сюй А.В., Палатников М.Н., Евстратова Д.В., Маврин Б.Н. Фо-торефрактавное и комбинационное рассеяние света в сегнетоэлектрическом кристалле ниобата лития // Оптика и спектроскопия. 2011. Т. 110. № 6. С. 916-922.

16. Sidorov N.V., Antonicheva Е.А., Syuy A.V., Palatnikov M.N., Bormanis К. Kinetics of Photorefractive Light Scattering in LiNb03:Cu and LiNb03:Zn Single Crystals // Integrated Ferroelectrics. 2011. V. 123. P. 153-159.

17. Antonicheva E.A., Syuy A.V., Sidorov N.V., Palatnikov M.N., and Karlis Bormanis. Kinetics of Photorefractive Light Scattering in Stoichiometric LiNb03 Single Ciystals Grown From Melt Containing 58.6 mole % of Li20 // Ferroelectrics. 2011. V. 417. №01. P. 53-57.

18. Лопатина П.С., Криштоп B.B., Строганов В.И., Сюй А.В., Максименко В.А., Толстов Е.В., Литвинова М.Н. Электрооптическая модуляция широкополосного излучения с гауссовым распределением амплитуды по спектру II Оптика и спектроскопия. 2012. Т. 113. № 2. С. 1-3.

19. Сюй А.В., Литвинова М.Н., Гончарова П.С., Сидоров Н.В., Палатников М.Н., Криштоп В.В., Лихтин В.В. Преобразование широкополосного теплового излучения кристаллами ниобата лития разного состава // Журнал технической физики. 2013. Т. 83. № 5. С. 109-114.

20. Сюй А.В., Сидоров Н.В., Гапонов А.Ю., Панфилов В.И., Палатников М.Н. Использование фотоиндуцированного рассеяния света для оценки фотоэлектрических полей в кристаллах ниобата лития // Оптика и спектроскопия. 2013. Т. 114. N°5.C.845--8lJS.

21. Syuy A.V., Sidorov N.V., Gaponov A.Y., Palatnikov M.N., Efiemenko V.G. Determination pf photoelectric fields in a lithium niobate crystal by parameters of indicatrix of photoinduced scattered radiation // Optik - International Journal for Light and Electron Optics 124 (2013) pp. 5259-5261. DOI information: 10.1016/j.ijleo.2013.03.082.

22. Криштоп В.В., Литвинова М.Н., Сюй А.В., Ефременко В.Г., Строганов В.И., Денисов А.В., Грунский О.С. Определение оптической неоднородности кристаллов по последовательности коноскопических фигур // Оптический журнал. 2006. Т. 73. № 12. С. 84-86.

23. Сюй А.В., Кравцова Н.А., Строганов В.И., Криштоп В.В. Ориентационная зависимость пропускания системы поляризатор-кристалл-кристалл-анализатор // Оптический журнал. 2007. Т. 74. № 7. С.33-36.

24. Сюй А.В., Строганов В.И., Лихтин В.В. Фоторефрактивное рассеяние излучения гелий-неонового лазера в кристаллах ниобата лития // Оптический журнал. 2007. Т. 74. № 5. С. 79-81.

25. Сюй А.В., Строганов В.И., Лихтин В.В. Градиентная запись изображения в кристаллах ниобата лития // Оптический журнал. 2007. Т. 74. № 6. С.17-19.

26. Криштоп В.В., Толстов Е.В., Строганов В.И., Сюй А.В. Преобразование инфракрасного излучения с широкополосной накачкой в нелинейно-оптических кристаллах // Оптический журнал. 2007. Т. 74. № 4. С. 24-26.

27. Антонычева Е.А., Сюй А.В., Сюй Н.А., Сидоров Н.В., Чуфырев П.Г., Яни-чев А.А. Кинетика фоторефрактивного рассеяния света в кристаллах LiNb03:Cu и LiNb03:Zn // Прикладная физика. 2010. № 5. С. 26-31.

28. Сидоров Н.В., Сюй A.B., Антонычева Е.А., Гапонов А.Ю., Евстратова Д.В., Палатников М.Н. Исследование фоторефрактивных свойств кристаллов LiNb03:Gd + методами фоторефрактивного и комбинационного рассеяния света // Известия вузов. Материалы электронной техники. 2010. № 3. С. 30-35.

29. Антонычева Е.А., Сидоров Н.В., Сюй A.B., Сюй H.A., Чуфырев П.Г., Яни-чев A.A. Кинетика фоторефрактивного рассеяния света в кристаллах ниобата лития стехиометрического состава // Перспективные материалы. 2010. № 5. С. 36-40.

30. Криштоп В.В., Ефременко В.Г., Литвинова М.Н., Ли A.B., Строганов В.И., Сюй A.B., Максименко В.А. Экспресс-анализ диффузных оптических изображений // Известия вузов. Приборостроение. 2006. Т.49. №8. С.21-23.

31. Сюй A.B., Кравцова H.A., Строганов В.И., Лихтин В.В., Криштоп В.В., Максименко В.А. Поляризационный метод управления спектром пропускания плоскопараллельной кристаллической пластинки // Известия вузов. Приборостроение. 2006. Т. 49. № 12. С. 53-55.

32. Сюй A.B., Строганов В.И., Максименко В.А., Лихтин В.В. Запись изображения в полярных кристаллах широкополосным излучением // Известия вузов. Приборостроение. 2007. Т. 50. № 9. С. 12-15.

33. Максименко В.А., Данилова Е.В., Сюй A.B. Определение фотопроводимости легированных кристаллов ниобата лития по фотоиндуцированному рассеянию света//Известия вузов. Приборостроение. 2007. Т. 50. № 9. С. 28-30.

34. Данилова Е.В., Максименко В.А., Сюй A.B., Криштоп В.В. Анализ индикатрисы фотоиндуцированного рассеяния света в кристаллах ниобата лития // Известия вузов. Приборостроение. 2007. Т. 50. № 10. С. 64-66.

35. Сюй A.B., Рудой К.А., Строганов В.И., Криштоп В.В. Эволюция коноско-пических картин при изменении положения оптической оси кристаллической пластинки // Известия вузов. Приборостроение. 2009. Т. 52. № 1. С. 55-57.

36. Сюй A.B., Кравцова H.A., Строганов В.И., Криштоп В.В. Параметрический метод построения эллипса поляризации излучения // Известия вузов. Приборостроение. 2008. Т. 51. № 10. С. 65-69.

37. Гончарова П.С., Криштоп В.В., Сюй A.B., Толстов Е.В., Пикуль О.Ю. Электрооптическое управление немонохроматическим светом в системе из двух анизотропных кристаллов // Научно-технические ведомости СПбГПУ. 2012. Т. 141. № 1.С. 82-85.

38. Литвинова М.Н., Сюй A.B., Криштоп В.В., Сидоров Н.В., Палатников М.Н. Преобразование широкополосного ИК-излучения в кристаллах ниобата лития стехиометрического и конгруэнтного состава // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон, журн. 2012. № 6. DOI: http://dx.doi.org/10.7463/0712.0431642.

В сборниках трудов SPIE, рекомендованных ВАК РФ

39. Stroganov V.l., Syuy A.V., Lihtin V.V. Manifestation of the thermal fatigue effect in LiNb03:Fe crystal // Proceedings of SPIE Vol. 5851, p. 51-53, 2005 Fundamental Problems of Optoelectronics and Microelectronics II. Editor(s): Yuri N. Kulchin, Oleg B. Vitrik, Vladimir I. Stroganov 470 pages.

40. Syuy A.V., Stroganov V.l., Krishtop V.V., Lihtin V.V. Conoscopic methods of optic crystal research // Proceedings of SPIE Vol. 6595, 2007 Fundamental Problems of Optoelectronics and Microelectronics III. Editor(s): Yuri N. Kulchin, Jinping Ou, Oleg B. Vitrik, Zhi Zhou. 65950E.

41. Krishtop V.V., Efremenko V.G., Litvinova M.N., Syuy A.V., Stroganov V.l., Tolstov E.V. The spectrum of up-converted broadband radiation in nonlinear optical crystals // Proceedings of SPIE Vol. 6610, 2007 Laser Optics 2006: Solid State Lasers and Nonlinear Frequency Conversion. Editor(s): Vladimir I. Ustyugov. 66100T.

42. Maksimenko V.A., Danilova E.V., Syuy A.V. Calculation of the selective pho-torefraction light scattering indicatrix in Rh-doped LiNb03 crystals // Proceedings of SPIE Vol. 6613, 2007 Laser Optics 2006: Wavefront Transformation and Laser Beam Control. Editor(s): Leonid N. Soms. 66130F.

43. Syuy A.V., Kravtsova N.A., Stroganov V.l., Lihtin V.V., Krishtop V.V., Maksimenko V.A. Peculiar properties of polarized transmission spectrums of crystal plates // Proceedings of SPIE Vol. 6613, 2007 Laser Optics 2006: Wavefront Transformation and Laser Beam Control. Editor(s): Leonid N. Soms. 661309.

Патенты на изобретения

44. Строганов В.И., Толстов Е.В., Криштоп В.В., Раппопорт И.В., Литвинова М.Н., Сюй A.B. Электрооптический модулятор // Патент РФ № 2004116031/28 G02F1/00, 2005.11.10 Приоритет от 25.05.2004.

45. Сюй A.B., Здоровцев Г.Г., Иванов В.И., Климентьев С.В., Криштоп В.В. Координатно-чувствительный приемник излучения // Патент РФ № 2006117268/28 (018811) 8 G01J 5/58, 25.07.2007 Приоритет от 19.05.2006.

46. Сюй A.B., Строганов В.И., Криштоп В.В. Способ управления поляризацией света // Патент РФ № 2006141076/28 (2334959) 7 G01J 4/00 / РФ) Опубл. 27.09.2008. Приоритет от 20.11.2006.

СЮЙ АЛЕКСАНДР ВЯЧЕСЛАВОВИЧ

НЕЛИНЕЙНО-ОПТИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ С ШИРОКОПОЛОСНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ В КРИСТАЛЛАХ НИОБАТА ЛИТИЯ

01.04.05-Оптика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

План 2013 г. Подписано в печать 15.10.2013. Гарнитура Times New Roman. Печать RISO. Усл. печ. л. 2,3. Уч.-изд. л. 2,5. Зак. 276. Тираж 120 экз.

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

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Дальневосточный государственный университет путей сообщения»

На правах рукописи

Сюй Александр Вячеславович

НЕЛИНЕЙНО-ОПТИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ С ШИРОКОПОЛОСНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ В КРИСТАЛЛАХ НИОБАТА ЛИТИЯ

01.04.05 - Оптика

диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Научный консультант: доктор физико-математических наук

Н.В. Сидоров

Ульяновск - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................7

ГЛАВА 1. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ШИРОКОПОЛОСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С НЕЛИНЕЙНО-ОПТИЧЕСКИМИ КРИСТАЛЛАМИ...........................................19

1.1. Особенности структуры кристалла ниобата лития

как фазы переменного состава..........................................................................19

1.2. Дефектная структура кристалла ниобата лития................................................25

1.3. Фоторефрактивный эффект в номинально чистых

и легированных монокристаллах ниобата лития..............................................38

1.4. Проявление дефектности структуры кристалла ниобата лития

в спектрах комбинационного рассеяния света.................................................40

1.4.1. Комбинационное рассеяние света...................................................................40

1.4.2. Спектры комбинационного рассеяния света реальных

кристаллов ниобата лития..................................................................................43

1.4.3. Проявление эффекта фоторефракции в кристалле ниобата лития

в спектрах комбинационного рассеяния света...............................................48

1.5. Запись и считывание оптической информации с использованием фоторефрактивного монокристалла ниобата лития.........................................50

1.5.1. Термооптический метод записи информации................................................50

1.5.2. Запись изображения при формировании электрического заряда

в приповерхностной области кристаллов ниобата лития...............................53

1.5.3. Электрооптический метод записи в фоторефрактивных кристаллах............55

1.5.4. Голографическая запись информации.............................................................57

1.5.5. Запись изображения в фоторефрактивных кристаллах широкополосным некогерентным излучением..............................................60

1.6. Преобразование широкополосного ИК-излучения по частоте вверх

в кристаллах ниобата лития...............................................................................61

1.7. Электрооптическая модуляция широкополосного излучения

в кристаллах ниобата лития...............................................................................67

1.8. Поляризационно-оптические свойства фазовых пластин.................................72

1.8.1. Распространение светового излучения в анизотропных кристаллах............72

1.8.2. Управление поляризацией света......................................................................75

1.8.3. Интерференция поляризованных лучей..........................................................78

ГЛАВА 2. АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ..................................84

2.1. Выращивание монокристаллов ниобата лития разного состава.......................84

2.2. Подготовка монокристаллических образцов для исследований......................90

2.3. Регистрация и обработка спектров комбинационного рассеяния света

и проведение поляризационных измерений.....................................................92

2.4. Регистрация фотоиндуцированного рассеяния света и исследование его кинетических характеристик.............................................................................99

2.5. Определение фотоэлектрических полей в кристаллах ниобата лития...........100

2.6. Экспериментальные схемы записи оптического изображения

в кристаллах ниобата лития.............................................................................101

2.7. Регистрация преобразованного широкополосного излучения

по частоте в нелинейно-оптическом кристалле..............................................104

2.8. Методика расчета спектров пропускания кристаллических пластин............106

2.9. Экспериментальная установка для наблюдения коноскопических картин оптических кристаллов в широкоапертурных слаборасходящихся

пучках света......................................................................................................107

2.10. Регистрация фотовольтаического эффекта....................................................109

ГЛАВА 3. СТРУКТУРНЫЙ БЕСПОРЯДОК И ФОТОРЕФРАКТИВНЫЕ СВОЙСТВА НОМИНАЛЬНО ЧИСТЫХ МОНОКРИСТАЛЛОВ НИОБАТА ЛИТИЯ СТЕХИОМЕТРИЧЕСКОГО СОСТАВА..................................................111

3.1. Трехслойная спекл-структура фотоиндуцированного рассеяния света

в кристалле ниобата лития...............................................................................111

3.2. Фотоиндуцированное рассеяние света в кристаллах ниобата лития стехиометрического состава, выращенных методом Чохральского разными способами..........................................................................................116

3.3. Асимметрия индикатрисы фотоиндуцированного рассеяния света в номинально чистых кристаллах ниобата лития

стехиометрического состава............................................................................120

3.4. Эффект фоторефракции в кристаллах ниобата лития стехиометрического состава............................................................................122

3.5. Спектры комбинационного рассеяния света номинально чистых кристаллов ниобата лития конгруэнтного и стехиометрического составов.....................126

3.6. Определение фотоэлектрических полей по параметрам

рассеянного излучения.....................................................................................134

ГЛАВА 4. СТРУКТУРНЫЙ БЕСПОРЯДОК И ФОТОРЕФРАКТИВНЫЕ СВОЙСТВА НОМИНАЛЬНО ЧИСТЫХ И ЛЕГИРОВАННЫХ КОНГРУЭНТНЫХ МОНОКРИСТАЛЛОВ НИОБАТА ЛИТИЯ..........................138

4.1. Фотоиндуцированное рассеяние света в конгруэнтных кристаллах LiNb03 :В, LiNb03:Y, LiNb03:Y:Mg, LiNb03:Ta:Mg......................................................138

4.2. Фотоиндуцированное рассеяние света и спектры

комбинационного рассеяния в конгруэнтных монокристаллах LiNb03:Zn.....144

4.3. Проявление фоторефрактивного эффекта и упорядочения структурных единиц катионной подрешетки конгруэнтных кристаллов LiNb03:Gd

в спектрах комбинационного рассеяния.........................................................147

4.4. Фоторефрактивные свойства конгруэнтных кристаллов LiNb03:Cu

и их спектры комбинационного рассеяния.....................................................156

4.5. Кольцевое фотоиндуцированное рассеяние света...........................................164

4.6. Эффект термической усталости в кристаллах ниобата лития

и диффузионное рассеяние света....................................................................167

4.7. Расчет индикатрисы широкоуглового фотоиндуцированного

рассеяния света в кристаллах ниобата лития..................................................172

4.8. Расчет кинетики широкоуглового фотоиндуцированного рассеяния света

в кристаллах ниобата лития.............................................................................176

4.9. Расчет индикатрисы селективного рассеяния по углу фотоиндуцированного рассеяния света в кристаллах ниобата лития..................................................181

ГЛАВА 5. ЗАПИСЬ ИЗОБРАЖЕНИЯ В КРИСТАЛЛАХ НИОБАТА ЛИТИЯ

НА ОСНОВЕ ФОТОРЕФРАКТИВНОГО ЭФФЕКТА...........................................190

5.1. Фотовольтаический эффект в кристаллах ниобата лития

от широкополосного некогерентного излучения...........................................190

5.2. Кинетика фотовольтаического эффекта в кристаллах ниобата лития...........194

5.2.1. Фотовольтаический эффект в номинально чистых

кристаллах ниобата лития................................................................................194

5.2.2. Фотовольтаический эффект в легированных кристаллах

ниобата лития...................................................................................................196

5.2.3. Спектральная чувствительность фотовольтаического эффекта

в кристаллах ниобата лития.............................................................................201

5.3. Влияние электрических полей на фотовольтаический эффект.......................203

5.4. Координатно-чувствительный приемник излучения

на основе ниобата лития..................................................................................205

5.5. Формирование изображения в кристаллах ниобата лития

при помощи диафрагмы...................................................................................210

5.6. Формирование изображения в кристаллах ниобата лития

при помощи реплики, нанесенной на зеркало................................................213

5.7. Ориентационно-поляризационная зависимость контраста

записи изображения.........................................................................................216

5.8. Запись оптической информации в стехиометрических

кристаллах ниобата лития................................................................................225

ГЛАВА 6. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ПО ЧАСТОТЕ ШИРОКОПОЛОСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В КРИСТАЛЛАХ НИОБАТА ЛИТИЯ МЕТОДАМИ НЕЛИНЕЙНОЙ ОПТИКИ.......................................................................................228

6.1. Расчет спектра преобразованного широкополосного излучения в кристалле LiNb03 для случаев коллинеарного

и векторного взаимодействия..........................................................................228

6.2. Особенности преобразования широкополосного излучения

в кристаллах ниобата лития различного состава............................................231

6.3. Преобразование широкополосного ИК-излучения и структурный беспорядок

в монокристаллах ниобата лития разного состава.........................................237

ГЛАВА 7. ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКАЯ МОДУЛЯЦИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ

В КРИСТАЛЛАХ НИОБАТА ЛИТИЯ...................................................................247

7.1. Электрооптический модулятор немонохроматического света.......................247

7.2. Электрооптическая модуляция широкополосного излучения

с гауссовым распределением амплитуды по спектру....................................253

7.3. Электрооптическая модуляция широкополосного излучения

в системе двух анизотропных кристаллов......................................................256

7.4. Контроль идентичности толщины фазовой пластины....................................261

ГЛАВА 8. УПРАВЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ШИРОКОПОЛОСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, ПРОШЕДШЕГО ЧЕРЕЗ ФАЗОВЫЕ ПЛАСТИНКИ....................266

8.1. Управление спектром пропускания кристаллической пластинки..................267

8.2. Управление спектром пропускания системы

«поляризатор - кристалл - кристалл - анализатор».......................................271

8.3. Управление поляризационными характеристиками излучения, прошедшего фазовую пластинку.....................................................................278

8.3.1. Задание поляризации излучения при помощи фазовой пластинки.............278

8.3.2. Критичность степени поляризации излучения,

прошедшего через фазовую пластинку.........................................................285

8.4. Эллиптичность немонохроматического излучения, прошедшего через фазовые пластинки...........................................................................................287

8.5. Параметрический метод построения эллипса поляризации излучения

и определение его характеристик....................................................................294

8.6. Исследование оптических кристаллов в слаборасходящихся широкоапертурных пучках света....................................................................298

8.7. Трансформация коноскопических картин при изменении положения оптической оси кристаллической пластинки..................................................309

8.8. Интерференция коноскопических картин

в широкоапертурных слаборасходящихся пучках света................................313

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................................................316

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ........................................................................................320

ПРИЛОЖЕНИЕ........................................................................................................359

ВВЕДЕНИЕ

Современные достижения нелинейной оптики существенно стимулируют развитие физического материаловедения, создание и модернизацию технологий новых материалов электронной техники. Фоторефрактивные материалы для нелинейной оптики и голографии в настоящее время служат предметом интенсивных исследований. При этом большое внимание со стороны ученых различных отраслей знаний (физика, химия, материаловедение) уделяется разработке и исследованию структуры монокристаллических фоторефрактивных сред, установлению связи тонких особенностей структуры и дефектов с физическими характеристиками и с особенностями взаимодействия электромагнитного излучения с кристаллом. Реальная структура фоторефрактивных кристаллов, являющихся в подавляющем большинстве фазами переменного состава, отличается глубокой дефектностью и наиболее далека от идеальной. Роль дефектов, а также тонких особенностей упорядочения структурных единиц в решетке кристалла часто становится определяющей в формировании его нелинейно-оптических характеристик.

Один из наиболее важных фоторефрактивных материалов - сегнетоэлектричес-кий кристалл ниобата лития (ЫКЬОз), обладающий высокой лучевой стойкостью, хорошими нелинейными, электрооптическими, пьезоэлектрическими, пироэлектрическими, фотовольтаическими и фоторефрактивными свойствами, что обусловливает возможность его широкого применения в устройствах голографиче-ской записи информации, модуляции, дефлекции, преобразования и генерации оптического излучения [167, 201, 272, 288]. Ниобат лития является фазой переменного состава, что позволяет кардинально и достаточно тонко регулировать физические характеристики кристалла легированием, изменением стехиометрии (отношения Я = 1л/ЫЬ), а также изменением упорядочения структурных единиц катионной подрешетки и состояния дефектности структуры [252, 300]. Исследования, направленные на оптимизацию фоторефрактивных свойств путем варьирования состава и структурных особенностей монокристалла ниобата лития, наиболее актуальны для целенаправленного создания материалов с заданными характе-

ристиками. Природа фоторефрактивного эффекта в общем случае хорошо изучена, и для его объяснения предложены ряд моделей [80, 123, 300]. Однако, несмотря на хорошее состояние теории, связь между фоторефрактивным эффектом, фо-тоиндуцированным рассеянием света (ФИРС) и тонкими особенностями строения конкретных реальных монокристаллов ниобата лития, перспективных в качестве материалов для голографии, лазерной и нелинейной оптики, в настоящее время изучена слабо. Единичны исследования ФИРС в зависимости от состава кристалла ниобата лития и способа выращивания. В литературе подробно рассмотрен эффект фоторефракции в монокристаллах ниобата лития конгруэнтного состава (Я = 0,946), легированных катионами с переменной валентностью («фоторефрак-тивными» катионами, например Ре), существенно повышающими эффект фоторефракции [123]. Вместе с тем он совершенно не исследован в монокристаллах стехиометрического (Я = 1) состава и в конгруэнтных кристаллах, легированных «нефоторефрактивными» катионами, понижающими эффект фоторефракции. Не ясна связь эффекта фоторефрации и ФИРС с упорядочением структурных единиц катионной подрешетки, определяющей сегнетоэлектрические и нелинейно-оптические свойства кристалла.

Среди устройств, использующих принципы нелинейной оптики, особое место занимают монокристаллические преобразователи теплового широкополосного излучения, важным преимуществом которых при преобразовании ИК-изображения является отсутствие геометрических искажений. Кроме того, в работе [73] показано, что при одинаковых уровнях накачки эффективность преобразования широкополосного излучения может быть даже значительно выше, чем для лазерного излучения. Однако в процессе взаимодействия высокоинтенсивного оптического излучения с электрооптическими кристаллами в последних могут возникать изменения оптических свойств из-за термооптического и фоторефрактивного эффекта, что существенно влияет на работу оптоэлектронных устройств. Кроме этого, электрические поля, возникающие в фоторефрактивном кристалле вследствие облучения и управляющие изменениями показателя преломления, могут вызывать долговременные изменения показателя преломления, которые необходимо кон-

тролировать в процессе эксперимента. Величины этих полей зависят от многих факторов, в том числе от поляризации излучения, которое в кристалле может измениться вследствие эффекта фоторефракции.

В этой связи для проведения экспериментальных исследований важно иметь излучение с точно заданными поляризационными характеристиками, такими как эллиптичность и азимут для определенной длины волны. Для этих целей в оптических исследованиях обычно используют фазовые пластины. Однако недостатком фазовых пластин является то, что каждая пластина рассчитана только для одной длины волны. Поэтому при использовании широкополосного излучения задача управления его характеристиками с применением фазовых пластин становится особенно сложной. Управление оптическими свойствами кристаллических пластин и использование их в качестве фазовых является приоритетной задачей при проведении многих экспериментов. При этом использование широкополосного излучения в нелинейно-оптических приборах и устройствах позволит значительно расширить возможности нелинейной оптики и снизить стоимость приборов и устройств.

Таким образом, актуальной проблемой оптики нелинейно-оптических фото-рефрактивных кристаллов является выявление и установление природы нелинейно-оптических эффектов, возникающих при прохождении широкополосного излучения через кристалл, развитие методов управления спектральными и поляризационными характеристиками этого излучения, а также выявление роли дефектов (собственных и наведенных излучением) и тонких особенностей структуры кристаллов в формировании нелинейно-оптических эффектов

В связи с этим цель работы была сформулирована следующим образом. Цель работы. Выявление роли дефектов и �