Нелинейное преобразование частоты в кристаллах некоторых производных стильбена и нитродифенила тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ



РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ РАДИОТЕХНИКИ И ЭЛЕКТРОНИКИ

НЕЛИНЕЙНОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЧАСТОТЫ В КРИСТАЛЛАХ НЕКОТОРЫХ ПРОИЗВОДНЫХ СТИЛЬБЕНА И НИТРОДИФЕНИЛА

Специальность: 01.04.21 - Лазерная физика

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель;

Кандидат физико-математических наук

старший научный сотрудник Ю.О. Яковлев

На правах рукописи

Калаков Берген Аоитович

Москва. 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

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

ГЛАВА 1. ЛИНЕЙНЫЕ И НЕЛИНЕЙНЫЕ ЭФФЕКТЫ ВТОРОГО ПОРЯДКА И МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ НЕЛИНЕЙНОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЧАСТОТЫ..........................................13

1.1. Материалы для нелинейного преобразования частоты лазерного излучения.............................................16

1.2. Методы отбора нелинейных материалов...................22

1.3. Методы измерений квадратичной нелинейной восприимчивости .........................................................25

1.4. Методы измерения электрооптических коэффициентов ...36

1.5. Методы выращивания органических кристаллов.........41

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ВЫРАЩИВАНИЕ МОНОКРИСТАЛЛОВ

Р-АМИНОСТИЛЬБЕНА И Р,Р'-ЙОДНИТРОДИФЕНИЛА ....46

2.1. Описание кристаллизатора....................................47

2.2. Методика подбора растворителя.............................62

2.3. Выращивание молекулярных монокристаллов............64

2.3.1. Р-аминостильбен................................................66

2.3.2. Р,р'-йоднитродифенил..........................................71

ГЛАВА 3. АВТОМАТИЗАЦИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ И ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОИЗВОДНЫХ СТИЛЬБЕНА И НИТРОДИФЕНИЛА.......................77

3.1. Автоматизация экспериментальной установки и обработка результатов измерений.................................77

3.2. Исследования порошков исследуемых веществ...........84

3.3. Определение направления кристаллофизических осей

и измерение коэффициентов преломления.................90

ГЛАВА 4. НЕЛИНЕЙНО-ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МОНОКРИСТАЛЛОВ Р-АМИНОСТИЛЬБЕНАИ Р,Р'-ЙОДНИТРОДИ-

ФЕНИЛА.................................................................106

4.1. Измерение компонент тензора нелинейной восприимчивости при генерации второй гармоники...............106

4.1.1. Р-аминостильбен................................................114

4.1.2. Р,р'-йоднитродифенил........................................124

4.2. Измерение коэффициентов тензоров электрооптического и обратного пьезоэлектрического эффектов.......129

4.2.1. Р-аминостильбен................................................132

4.2.2. Р,р'-йоднитродифенил........................................138

4.3. Перспективы применения исследуемых монокристаллов .................................................................139

4.3.1. Р-аминостильбен................................................139

4.3.2. Р,р'-йоднитродифенил........................................144

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................147

ЛИТЕРАТУРА.........................................................................150

ВВЕДЕНИЕ

До появления и развития нелинейной оптики нелинейные эффекты наблюдались лишь в сильных низкочастотных электрических и магнитных полях. Эти эффекты были известны ещё в конце прошлого века, например: линейный электрооптический эффект или эффект Поккельса [1,2], квадратичный эффект Керра [3], вращение плоскости поляризации в магнитном поле или эффект Фарадея [3]. Нелинейно-оптические явления, связанные с рассеянием света на акустических и оптических фононах такие, как эффекты комбинационного рассеяния [4,5] и рассеяние Манделыптама-Бриллюэна [6,7], были изучены в 20-х и 30-х годах нашего столетия. Описание этих эффектов можно найти во многих учебниках по оптике, например [8-10].

Основной причиной относительно медленного развития нелинейной оптики в конце прошлого и до середины нашего столетия было отсутствие подходящих источников сильного электромагнитного излучения. При напряженностях поля световой волны, сравнимых с внутриатомными полями, начинают проявляться нелинейно-оптические свойства среды. Начало исследований в этой области можно датировать 1961 г. - именно в этом году была выполнена первая экспериментальная работа [11] по генерации второй гармоники излучения рубинового лазера в кристалле кварца. Сразу после этой публикации стало ясно, что подобного рода исследования открывают широкие возможности, по крайней мере, в двух направлениях. Одно из этих направлений, связанное с изучением новых свойств материалов (нелинейной восприимчивости) и новых эффектов, получило название "нелинейная оптика". Другое направление - прикладная нелинейная оптика изучает перспективы применения и использования изученных нелинейных материалов для нелинейно-оптического преоб-

разования частоты, новых источников когерентного излучения оптического диапазона, детектирования, модулирования, преобразования сигналов и т.д. С этого момента нелинейная оптика начала развиваться быстрыми темпами. К настоящему времени вопросы и достижения нелинейной оптики отражены во многих монографиях, например [12-18].

Одной из областей применения нелинейных свойств среды является преобразование частоты излучения оптического диапазона. Для эффективного преобразования частоты оптических квантовых генераторов необходимо, чтобы нелинейный материал удовлетворял ряду требований. Это высокие значения нелинейной восприимчивости в направлениях, удовлетворяющих условиям фазового синхронизма, стойкость к лазерному излучению, широкий диапазон прозрачности, удовлетворительные физические характеристики (хрупкость, мягкость, гигроскопичность и т.д.) и другие характеристики, описанные, например, в работах [13-19].

Цель настоящей работы заключается в экспериментальном исследовании процессов получения перспективных, ранее не исследованных молекулярных монокристаллов органических соединений, в исследовании линейных и нелинейных оптических характеристик полученных монокристаллов и определению перспективности применения их в качестве нелинейных преобразователей частоты лазерного излучения.

Актуальность и практическая значимость работы связаны с тем, что одной из основных задач нелинейной оптики является создание высокоэффективных источников когерентного излучения. Необходим широкий набор генераторов оптического излучения, которые позволили бы расширить диапазон частот генерируемого излучения и осуществить плавную перестройку частоты. Источники мощного когерентного излучения могут использоваться, как для практических применений (оптические системы связи и обработки информации, дальнометрия, воздействие на биологи-

ческие объекты, в медицине и т.д.), так и для проведения научных исследовании. Методы нелинейной оптики используются для создания параметрических генераторов света и адаптивных зеркал с обращением волнового фронта, для уменьшения длительности импульсов оптического излучения, при формировании и измерениях длительности лазерных импульсов. Генераторы суммарной частоты могут быть использованы при преобразовании излучения из инфракрасного диапазона в видимый (нелинейные спектрометры, преобразователи сигналов и изображений), так как применяемые приемники дальнего ИК излучения имеют чувствительность, уступающую чувствительности приемников видимого диапазона. Для получения мощного излучения видимого и ультрафиолетового излучения могут быть использованы преобразователи частоты на нелинейных кристаллах, в том числе удвоители или утроители частоты излу-• чения лазеров. Перечисленные приборы и требуемые для них нелинейные материалы разрабатываются и совершенствуются.

Перспективными материалами для нелинейно-оптического преобразования излучения лазеров являются молекулярные кристаллы органических соединений, которые могут составить конкуренцию широко применяемым неорганическим материалам. Преимущества молекулярных кристаллов связаны со значительной эффективной нелинейной восприимчивостью и двулучепреломлением; стойкостью к лазерному излучению; большими значениями угловой, температурной и спектральной ширин синхронизма; слабым нелинейным поглощением в рабочем спектральном диапазоне, и с большим разнообразием органических веществ, дающим возможность выбрать кристалл для каждого конкретного случая. Все это открывает широкие возможности применения органических молекулярных монокристаллов в устройствах нелинейной оптики. Но органические материалы, полученные и исследованные на сегодняшний день, не нашли

столь широкого применения в устройствах и приборах нелинейной оптики, как неорганические кристаллы. Связано это в первую очередь с отсутствием надежной технологии их получения, и неудовлетворительными физическими характеристиками (мягкость, хрупкость, гигроскопичность и т.д.). Поэтому чрезвычайно важной и актуальной задачей нелинейной оптики остается поиск, выращивание и исследование новых перспективных органических материалов.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Оптические характеристики новых молекулярных кристаллов. Значения компонент тензора нелинейной восприимчивости кристаллов р-аминостильбена и р,р'-йоднитродифенила, измеренные методом частотных интерференционных полос и дисперсия коэффициентов преломления в спектральном диапазоне 0.45-1.15 мкм.

2. Полученные значения компонент тензора квадратичной нелинейной восприимчивости и проведенные исследования линейных оптических характеристик монокристалла р-аминостильбена позволяют сделать вывод о перспективности применения этого материала в качестве удвоителя частоты излучения полупроводниковых лазеров, для получения компактного источника излучения в синей области спектра.

3. Проведенные измерения нелинейной восприимчивости на оптических и низких частотах монокристалла р,р'-йоднитродифенила позволяют сделать вывод о эффективности применения данного монокристалла в качестве модулятора оптического излучения.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Первая глава носит обзорный характер, оригинальные материалы изложены в главах 2, 3 и 4.

В первой главе диссертации рассматриваются нелинейно-оптические преобразования в нецентросимметричных средах. Рассмотрение ограничено эффектами, квадратичными по амплитуде электрического

поля. Рассматриваются способы измерения компонент тензора нелинейной восприимчивости. Описаны блок-схемы экспериментальных установок для измерения нелинейной восприимчивости различными методами. Приведено сравнение точностей и дано обоснование выбора метода частотных интерференционных полос для измерения нелинейной восприимчивости. Также рассмотрены некоторые методы измерения линейного электрооптического эффекта и обратного пьезоэлектрического эффекта.

Приведено сравнение основных параметров широко применяемых монокристаллов неорганических соединений и молекулярных кристаллов. Рассматриваются основные требования, предъявляемые к нелинейным преобразователям. Отбор новых нелинейных материалов проводился на основе измерений, выполненных по усовершенствованной порошковой методике. Отмечается, что, несмотря на свою универсальность, порошковая методика является чисто оценочной, и позволяет исключить из исследуемых веществ лишь материалы, в которых нелинейное преобразование не эффективно. Для определения же перспективности применения кристаллов в качестве нелинейных преобразователей необходимо получение объемных монокристаллов и исследование их нелинейно-оптических параметров.

Рассмотрены основные методы выращивания органических молекулярных монокристаллов. Определены критерии пригодности различных методов для выращивания кристаллов органических соединений.

Вторая глава посвящена выращиванию молекулярных монокристаллов выбранных для исследования органических веществ. Отмечается, что прежде чем приступить к выращиванию больших монокристаллов, необходимо получить пробные кристаллы, измерить их нелинейно-оптические характеристики для выяснения перспективности их дальнейшего применения. Приведены основные критерии, предъявляемые к кристал-

лизаторам. Подробно рассмотрен усовершенствованный и собранный нами кристаллизатор. Рассмотрена конструкция данного кристаллизатора, описана принципиальная электрическая схема, схема блока задания температуры и блока плавного понижения температуры. Приведены температурно-временные характеристики кристаллизатора при различных режимах работы.

Аргументируется необходимость контроля за качеством исходного материала и растворителей. Подробно описано проведение пробной кристаллизации в малых объемах пробных растворителей. Во время пробных кристаллизации проверялось, что вещество кристаллизуется в нецентросимметричной фазе. Определялось направление наибольшей скорости роста, которое необходимо знать для правильной установки затравочного кристалла на кристаллодержателе. Подробно рассмотрена методика выращивания монокристаллов р-аминостильбена и р,р'-йод-нитродифенила. Приведены таблицы пробной кристаллизации выбранных веществ в малых объемах в различных растворителях. Аргументируется выбор метода выращивания. В каждом случае описан выбор растворителя, чистка исходного вещества, методика роста.

Третья глава посвящена описанию модернизированной экспериментальной установки для измерения компонент тензора нелинейной восприимчивости и измерению оптических характеристик полученных кристаллов. Разработанные алгоритмы обработки результатов измерений и написанные программы позволили исправить ошибки, возникающие при сбоях в механической части экспериментальной установки и правильно обработать данные. Подробно рассмотрена обработка данных измерении нелинейной восприимчивости.

На основании требований, предъявляемых к нелинейно-оптическим преобразователям и интенсивностям преобразованного сигнала в случае

генерации второй гармоники лазерного излучения в порошках, обоснован выбор органических веществ р-аминостильбена и р,р'-йоднитродифенила в качестве объектов исследования.

Измерение показателей преломления исследуемых монокристаллов проводилось методом призмы при комнатной температуре на гониометре в диапазоне длин волн от 0.45 до 1.15 мкм. В качестве источников излучения использовались излучение лазеров и спектральных ламп. Частотная дисперсия главных значений показателей преломления аппроксимировалась по формуле Зельмейера. Отмечается, что от точности вырезания призмы зависит, главным образом, и точность определения коэффициентов преломления.

Для полученных монокристаллов р-аминостильбена и р,р'-йод-нитродифенила на спектрометре ЬАМВИА-Я были измерены спектры пропускания поляризованного и неполяризованного излучения. Измерения проводились на образцах, вырезанных по главным кристаллофизическим плоскостям.

Четвертая глава посвящена измерению нелинейно-оптических характеристик исследуемых монокристаллов. Были проведены измерения компонент тензора нелинейной восприимчивости относительно нелинейной восприимчивости эталонного образца. Аргументируется выбор кварца в качестве эталонного образца.

Отмечается, что измерение соответствующей компоненты тензора нелинейной восприимчивости сводится к получению хорошей интерференционной картины и измерению интенсивности преобразованного излучения в максимумах интерференционной картины исследуемого и эталонного образцов. Рассматриваются трудности, возникающие при измерении нелинейной восприимчивости методом частотных интерференционных полос.

Подробно описано измерение компонент тензора квадратичной нелинейной восприимчивости монокристаллов р-аминостильбена и р,р'-йоднитродифенила. Результаты измерений представлены в таблицах. Помимо компонент тензора нелинейной восприимчивости на высоких частотах, определяющих генерацию второй гармоники, были измерены некоторые электрооптические коэффициенты исследуемых кристаллов. Измерения проводились интерференционным методом. Поскольку оптическая разность хода лучей интерферометра изменяется не только вследствие изменения коэффициента преломления, но и за счет изменения длины образца, вызванного обратным пьезоэлектрическим эффектом, были проведены независимые измерения соответствующих коэффициентов тензора обратного пьезоэлектрического эффекта и определены относительные знаки коэффициентов электрооптического и обратного пьезоэлектрического эффектов.

Обсуждаются перспективы использования исследованных кристаллов в качестве нелинейных преобразователей частоты лазерного излучения. Для монокристалла р-аминостильбена проведен расчет кривых коллинеарного синхронизма для генерации второй гармоники. Определена конфигурация, изготовлен и испытан нелинейно-оптический преобразователь для удвоения частоты излучения лазеров на основе кристалла р-аминостильбена. Наиболее перспективная область применения кристаллов р-амино�