Особенности распространения электромагнитных волн и фотоакустическое преобразование в гиротропных кристаллах и сверхрешетках тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ ГОМЕЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Ф. СКОРИНЫ

УДК 548.0:535+539.2+534

2 3 ДПР 18115

Стародубцев Евгений Генрихошч

ОСОБЕННОСТИ' РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН И ФОТОАКУСТИЧЕСКОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ В ГИРОТРОПННХ КРИСТАЛЛАХ И

01.04.ОБ - оптика

Авторэфэрат диссертации на ошсканке ученой степени кандидате физико-математических наук

Гомель - 1 9 9 6

Работа выполнена в Гомельском государственном университете им. Ф.Скорины.

Научные руководители: доктор физико-математических

наук, профессор СЕРДШОВ А.Н., кандидат физико-математических наук ЫИТЮРИЧ Г.С.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических

наук, профессор БДРКОВСКШ Л.М., кандидат физико-математических наук, ст. научн. сотр. БУРБЕЛО P.M.

Оппонирующая организация: Институт прикладной физики

АН Беларуси

Защита состоится илгл^- 1ЭЭБ г. в " 14 " часов на

заседании совета по защите диссертаций К 02.12.12 при Гомельском государственном университете им« Ф. Скорины (245699, г. Гомель, ул. Советская, 104). С диссертацией моано ознакомиться в библиотеке ГГУ ем. Ф. Скорины.

Автореферат разослан " » су ¡у^^ 1995 г<

Ученый секретарь

совета ш защите диссертаций

А.Н. Годлевская

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОИ РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ ДИССЕРТАЦИИ. Круг проблем, решаемых в данной диссертационной работе, лежит на стыке нескольких интенсивно развиваемых в течение последних десятилетий и взаимосвязанных научных направлений: оптики гирозропных кристаллов, оптики кристаллических слоисто-периодических структур (СПС), ш сверхрешэ-ток (СР), фотоакустической (ФА) спектроскопии конденсировав _н/х сред. Разработка элементной базы современной оптоэлектроншш, вычислительной и лазерной техники стимулировала больпой интерес к исследованию кристаллических, в частности, гиротрошых, сред как материалов с уникальными оптическими свойствами; Сильная чувствительность параметров оптической анизотропии и гиротрохши к незначительным изменениям внутренней структура кристаллов, возможности специфического преобразования такими средами параметров электромагнитного излучения нашли широкие применения в спектроскопии, эллипсометрии, при модуляции света, перспективны при разработке устройств оптической информатики»

Логическим развитием технологии кристаллических пленок стало получение СПС на основе различных соединений с толщинами слоев вплоть до десятка ангстрем. Широкий выбор параметров СР (физико-химических свойств компонентов, числа, расположения и толщины слоев) позволяет получать на основа СР материалы с требуемыми физическими характеристиками, часто на имеющими аналогов среди монокристаллов. Благодаря новым оптическим свойствам СР находят разнообразные применения в квантовой электронике, интегральной оптике и других областях. Практически важный класс СР составляй1 короткопериодные СР, период которых, существенно меньше длин волн (электромагнитных, акустических), взаимодействующие со СПС. Свойства таких СР с высокой точностью описываются в длинноволновом приближении, когда СПС рассматривается как однородная среда с некоторыми усредненными характеристиками.

Для исследования кристаллических материалов необходимы &ф-фективные методы неразрушащего контроля данных сред. Одним из таких методов является ФА спектроскопия, основанная на регистрации акустического сигнала, возникающего при поглощении исследуемым образцом модулированного электромагнитного излучения. Высокая чувствительность, возможности профилированного по глу'ине образца определения оптических, теплофизических характер?зтик при коэффициентах поглощения от Ю-7 до Ю6 см"1, широкий спек-

тральный диапазон возбуждающего излучения обусловили эффективность применения ФА методов для исследования свойств кристаллов и кристаллических структур, включая СР: оптического поглощения, анизотропии, линейного и циркулярного дихроизма.

Развитие перечисленных направлений требует в ряде случаев разработки теории взаимодействия электромагнитного излучения с кристаллами, СПС и ФА преобразования. Корректное описание термооптического возбуждения звука в кристаллических средах связано с решением граничной электродинамической задачи и расчетом диссипации световой энергии в объема образца. Для таких расчетов оказалась эффективной феноменологическая теория кристаллических сред, предложенная Ф.И. Федоровым. При ФА измерениях величин анизотропии, гиротропии кристаллов возникает необходимость учета эффектов оптической интерференции, т.к. вклад последней в ФА отклик в широком диапазоне значений параметров сопоставим с вкладом измеряемых, величин. При этом применение обычно используемых приближений полубесконечных, слабопоглощандах, слабодихроичных образцов может оказаться недостаточным. Требует исследования влияние поляризации возбувдащего.излучения, произвольного сочетания эффектов поглощения, анизотропии, гиротропии на ФА преобразование в кристаллах различных классов симметрии и СПС.

В короткопериодннх СР не исследован ряд эффектов высших порядков обусловленных влиянием внешних управляющих факторов на оптические характеристики СПС. Интерес для приложений представляют электрооптические (аналоги эффектов Поккельса и Керр&), магнитооптические (аналоги обычного и вынужденного эффекта Фара-дея, магнитогирация) эффекты, нелинейная оптическая активность, электрогирация в СР. Не получены общие соотношения для определения малых добавок к эффективным материальным тензорам СПС при воздействии указанных внешних факторов. В-СР, компоненты которых обладают оптической анизотропией и гиротропией, недостаточно исследованы свойства собственных волн, особенности пропускания, поглощения электромагнитного излучения, возможности управления энергетическими и поляризационными характеристиками. Анализ, проведенный для СР, образованных кубическими, одноосными, ромбическими кристаллами, указывает на широкие возможности создания СПС с требуемыми параметрами оптической анизотропии и гиротропии. Изучение особенностей преобразования электромагнитного излучения в короткопериодннх СР является перспективным для разработки но-

вых материалов нелинейной оптики, электро- и магнитооптики, создания элементной базы оптической информатики.

СВЯЗЬ РАБОТЫ С КРУПНЫМИ НАУЧНЫМИ ПРОГРАММАМИ, ТЕМАМИ

Исследования, проведенные в диссертационной работе, выполнялись в рамках госбюджетных тем "Фототермоакустическая спектроскопия гиротропных сред" (шифр ГБВД 92-03, № ГР 01.92.000-1641), "Импульсная фотоакустическая спектроскопия нелинейных кристаллов" (шифр ГБВД 94-18), "Лазерная фотоакустическая спектроскопия гиротропных кристаллических структур" (шифр ГБЦМ 95 - 03, » ГР 199618), а также плановой темы "Лазер 3.15. Исследование электромагнитных, фотоакустических и магнитооптических взаимодействий в анизотропных и периодически неоднородных средах" кафедры оптики Гомельского государственного университета им. Ф. Скорины.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. Целью настоящей работы является анализ особенностей преобразования характеристик электромагнитного излучения гиротропяыми кристаллами, короткопериодными сверхрешетками, а также разработка на с той основе обшей теории фотоакустического эффекта в поглощающих кристаллических средах.

В диссертации поставлены и решены следующие основные задачи:

1. Исследование формирования ФА сигнала в кубических и одноосных оптически активных кристаллах при произвольном сочетании эффектов анизотропии, гиротропии, оптической интерференции и поляризации возбуздащего излучения.

2. Решение в приближении эффективной среда граничных задач о взаимодействии электромагнитного излучения со СР, образова)ны-ми кристаллами кубической и ромбической сингоний.

3. Построение теории ФА преобразования в короткопериотных СР, образованных кристаллами кубической сингонии.

4. Определение для СР в длинноволновом приближении тензоров электрооптических, магнитооптических коэффициентов, нелинейной оптической активности и электрогирации.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ

Впервые при отсутствии ограничений на значения параг-'-этров анизотропии, гиротропии, оптического поглощения и интерференции исследованы диссипация световой энергии и ФА эф^.кт в кубических и всех одноосных гиротропных кристаллах.

Установлены новыэ условия проведения ФА измерений параметра циркулярного дихроизма кубических кристаллов. Предложены новые, более точные и универсальные, ФА методы определения коэффициентов поглощения собственных волн, всех диагональных кошонент комплексного тензора гирации для кристаллов средних сингоний.

Выявлены особенности поглощения световой энергии и ФА преобразования в короткопериоданх СР, образованных гиротропными кубическими кристаллами. Показано, что диссипативные свойства таких структур, включая дихроичные, могут не быть промежуточными между аналогичными свойствами кристаллов, образующих СР. Установлены условия контроля параметров данных СР ФА методами.

В длинноволновом приближении определены оптические свойства СР, образованных кристаллами класса 222. Исследованы характеристики собственных волн, прошедшего излучения, диссипация световой энергии, показаны возможности эффективного преобразования такими СР параметров электромагнитного излучения.

Впервые показано, что особенности распределения энергии электромагнитного поля менаду собственными волнами при наличии многолучевой интерференции могут вести к компенсации влияния оптической анизотропии кристаллов и СР на интенсивность и диссипацию энергии электромагнитного излучения. Определены условия, при которых данный эффект имеет место, указаны возможности его практического использования.

Впервые получены общие соотношения для расчета малых изменений комплексных несимметричных тензоров диэлектрической, маг-шиной проницаемостей, оптической активности короткопериоданх СР при воздействии управляющих внешних факторов. На основе этого определены тензоры электрооптических, магнитооптических эффектов, нелинейной оптической активности и электрогирации. Найден вид перечисленных тензоров в СР, образованных кристаллами типа цпн-ковой обманки. Показаны новые возможности использования коротко-периодных СР в качестве перспективных оптических материалов.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ¡ЗНАЧИМОСТЬ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ

Полученные в работе теоретические результаты по ФА преобразованию в гиротропных кристаллах различных классов симметрии и СР, а также разработанный на их основе пакет программ для ПЭВМ могут быть использованы в экспериментах, по определению параметров оптической активности (вещественные и мнимые части

компонент тензора гирации), поглощения (коэффициенты поглощения собственных волн) и геометрии структуры (толщина кристаллического слоя, относительные толщины слоев, образующих СР). Полученные данные могут найти применение при создании приборов ФА спектроскопии (ФА дихрографы, спектрополяриметры и др.).

Результаты, касающиеся особенностей оптических свойств поглощающих гиротропных кристаллов и СР, могут быть испол» ,./ваш при разработке модуляторов и преобразователей характеристик электромагнитного излучения, при создании новых оптических материалов на основе СР и оптической элементной базы вычислительной техники.

Результаты работы частично вошли в содержание научных отчетов по перечисленным вше госбюджетным темам.

ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ

После экспериментальной апробации теоретические результаты, полученные в работе, могут быть использованы для усовершенствования на уровне изобретений следующих приборов и оптических материалов: ФА дихрографзв; модуля зров интенсивности и поляризации, фильтров электромагнитного излучения; электро- , магнито-и нелинейнооптических материалов на основе СР.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ

- Теоретический анализ диссипации световой энергии, ФА эффекта и предложенные на основе этого новые, более точные и универсальные, метода ФА измерений параметров гиротропии, анизотропии, поглощения в кристаллах высшей и средних сингоний;

- установленные оптические свойства коротконериодных СР, образованных кубическими и ромбическими кристаллами; разработка метода ФА спектроскопии для исследования СР;

- соотношения, определяющие в длинноволновом приближении малые изменения материальных тензоров СР, вызванные внешними управляющими факторами;

- вид тензоров, характеризующих аналоги эффектов Поккельса, Керра, Фарадея, нелинейной оптической активности, электро-и магнитогирации в короткопериодных СР;

- эффект компенсации влияния оптической анизотропии кристаллов и СР на энергетические характеристики электромагнитного излучения, обусловленный интерференционными особенностями распределения энергии электромагнитного поля между собственными волнами.

ЛИЧНЫИ ВКЛАД СОИСКАТЕЛЯ

Диссертация отражает личный вклад автора в проведенные исследования. Научные руководители А.Н. Сердюков и Г.С. Митюрич сформулировали тему диссертационной работы, осуществляли постановку задач, руководство исследованиями и участвовали в обсуждении результатов. В работах по теме диссертации автору принадлежит вывод основных формул, создание программного обеспечения, численные расчеты на ПЭВМ и формулировка основных положений.

АПРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИИ

Основные результаты, полученные в ходе исследований, докладывались и представлялись на Международном семинаре по электродинамике хиральных и бианизотропных сред "BlanlsotropiC3-93" (Гомель, 1993), Международном семинаре по электродинамике гиро-тропных сред "Chiral-94" (Perigueux, France, 1994), Международном семинаре по современной акустике (Nanjing, China, 1994), Международной конференции по электродинамике хиральных, биизо-тропных и бианизотропных сред "Chiral-95" (Pennsylvania, USA, 1995), семинарах кафедры оптики. Гомельского государственного университета гол. Ф.Скорины.

ОПУБЛИКОВАННОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ

Список основных работ по теме диссертации включает 11 наименований, приведенных в конце автореферата, из которых 5 статей в журналах, препринт, 5 работ, опубликованных в материалах международных конференций.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ

Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, четырех глав, выводов, двух приложений и списка использованных источников. Полный объем диссертации составляет 129 страниц, в том числе объем, занимаемый иллюстрациями, - 20 страниц, списком 168 использованных источников - 14 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

В первой главе приведен обзор литературы по отдельным вопросам электродинамики анизотропных, и гиротропных кристаллов, . кристаллических СПС и ФА спектроскопии данных сред.

Во_второй_главе диссертации исследованы особенности распространения электромагнитного излучения и ФА преобразования в гиро-тропных кристаллах высшей и средних сингоний. Расчеты выполнены в плосковолновом приближении для случая нормального падения излучения на образец и произвольного сочетания эффектов оптического поглощения, анизотропии, гиротропии и многолучевой интерференции. При этом методики расчета ФА отклика, предложенное Ро-зенцвейгом и Гершо [1], Джексоном и Амером £2], обобщены с учетом специфики оптических свойств исследуемых кристаллов.

В разделе 2.1 рассмотрено ФА преобразование в кубических кристаллах и изотропных средах для газомикрофзнного и пьезоэлектрического методов регистрации ФА сигнала. Отношения вкладов в диссипации световой энергии, обусловленных: 1) поглощением отраженных волн внутри кристаллического слоя, 2) наличием циркулярного дихроизма, к величине диссипации энергии преломленных волн внутри слоя, определяются соответственно параметрами

|У£ - П^ 2хГ

^ = ехр(-2р1) • ъ = Т^шТ) ' (1'

где е, р и 7" - комплексная диэлектрическая проницаемость, коэффициент поглощения и параметр циркулярного дихроизма кристалла, 1 - толщина плоскопараллельного слоя, п^ - показатель преломления непоглощащей изотропной подлокки, т - эллиптичность возбуждающего излучения. При условии т]1 ~ т)2 , выполняемом в широком диапазоне параметров образцов, необходим учет отраженного излучения и многолучевой интерференции в слое при ФА измерениях ди-хроичных свойств. Сравнение влияния интерференции оптических и тепловых волн на формирование ФА сигнала показало определяющую роль тепловых процессов. Рост параметра Ь = (кькБ)(р3/рь)1/2, где к^- - коэффициенты тепло-, р^- - температуропроводности образца (о=в) и подлокки и=Ъ), ведет к усилинию тепловой интерференции и росту амплитуды ФА сигнала, что может быть использовано для повышения точности ФА измерений параметра 7". Установлено, что такие измерения требуют чувствительности газомикрофонной системы регистрации 10~3 - Ю-4 Па. При этом проявляются особенности, определяемые влиянием дихроичных свойств кристалла и поляризации возбуждающего излучения, преимущественно, на амплитуду q ФА сигнала. При типичных условиях зависимости q(7") линейны при

7" < 1СГ4 и частотах модуляции возбуждающего излучения А > 50 Гц. что позволяет измерять величину 7" методом ФА спектроскопии. В разделе 2.1 также показана возможность определения ФА методом параметра циркулярного дихроизма центросимметричных кубических кристаллов, индуцированного постоянным электрическим полем.

В разделе 2.2 рассмотрены особенности диссипации световой энергии в слоях из одноосных гиротропных кристаллов, вырезанных параллельно оптической оси. Показано, что для величины диссипации Т? справедливо приближение, линейное по диагональным компонентам \к №=1,2,3) комплексного псевдотензора гирации [3]. При этом недиагональные компоненты тензора 7 на дассипативные свойства не влияют и для любого класса указанных кристаллов 2

V? = ОЧ)2 1т(£;5)[|А;).|2ехр(-^а) + |В^2ехр((Э^)], (2)

3=1

где V - частота падающего излучения, р^ и - коэффициенты поглощения и комплексные диэлектрические проницаемости для собственных волн в кристалле, а - координата точки внутри слоя (О а ^ 1), А^ и В . - величины, характеризующие векторные амплитуда преломленных и отраженных волн внутри слоя, определяемые из решения граничной задачи. Влияние поляризации падающего излучения - эллиптичности 1 и азимута ф (угла между большой осью эллипса поляризации и оптической осью кристалла) на величину Ш описывается функциями

ГС('с)=Т1+(Тг'Ч-Т3)/(1+т:2), 15Г(ф)=Р1соз2-(ф)+Р28111(гф)+Р3, (3)

где величины Тк, Рк не зависят от т; и ф соответственно. Наличие в (3) параметра Т3 обусловлено оптической анизотропией, а параметра - гиротропией кристалла. При ф Ф ф1 = %/4+%1 (I = 0,1) Т3 » Т2 , при ф = ф1 Т2 » Т3 и зависимости имеют монотонный вид, характерный для кубических кристаллов. Варьирование параметров т, ф может вести к существенному (до 50 %) изменению величины !?, возрастающему в условиях оптической интерференции.

В разделе 2.3 полученные результаты использованы для исследования ФА преобразования во всех классах одноосных гиротропных кристаллов. Показано, что рассмотренные особенности диссипации световой энергии имеют место и для амплитудных характеристик ФА сигнала, что позволяет исследовать оптические свойства таких

кристаллов ФА методом. Комплексная амплитуда ФА сигнала С^е1® определяется линейной комбинацией параметров Ке(7кк), 1111(7^), коэффициенты при которых зависят от теплофизических свойств системы "детекторный газ - образец - подложка" [1], величин е.., интенсивности и поляризации возбуждающего излучения. На основе этого предложен метод определения величин 7^ оптически непрозрачных образцов (с толщиной 1 » р),. основанный на измерениях амплитудных (я) и фазовых (Ф) характеристик ФА сигнала при различных поляризациях возбуздагацего излучения.. Показана возможность определения коэффициентов поглощения собственных волн ФА методом при т = 0, ф = (тс/2)Г._

В разделах 2.2, 2.3 установлено, что даже при сильной оптической анизотропии (|е2-е1| » 0) величина диссипации световой энергии и, как следствие, амплитуда ФА сигнала могут практически не зависеть от азимута поляризации ф падающего на кристалл излучения.- Анализ показал, что такая компенсация влияния оптической анизотропии кристалла монет иметь место и для интенсивностей излучения, отраженного (1г)' и прошедшего СЦ) через кристаллический слой (при этом оптическая ось параллельна границам слоя .и перпендикулярна 'волновой нормали падающего излучения). В разделе 2.4 для случая негиротропного кристалла получены услоеия, при которых величины ТС, 1г и 11. не зависят от азимута ф.

Интенсивности и не зависят от ф соответственно при

|П1А2(+П)|2=|П2Д1(+П)|2, |А1(-П)Д2(+Л)|2=|Д2(-П)41(+П)12, (4)

где А^.(±п) = (п^ ± п)(п^ +п3)®.._ + (±п.- п..) (п.. - ,

3,.+ = ехр(±11т^1), I2 = -1, к = 2%/Х -волновое число для вакуума, 1 - толщина слоя, п- - комплексные, а п и тц - вещественные показатели преломления собственных волн в кристалле и не-поглощаиздах негиротропных сред перед и за слоем соответственно. В случав нвпоглощавдих кристаллов условия (4) совпадают и имеет вид

(п2-п2)(п^-п§) (п|-й2)(п|-1ф

-в1п2(ка,1) --ВШ2^].), (5)

^ .. 4

ЧТО МОЕ8Т ВЫПОЛНЯТЬСЯ, В Ч8СТЯОСТИ, ПрИ П1 (Г^) = П, Пд (1Ц )•» п^

или = qJ■\ , з - 1,2, где - целые числа.

Диссипация W из зависит от ф при V1 = V2 • Vi = Im(e^)|A^(+n)|2(N3.+ + N^-J , (6)

где N3-+ = |n3±n.j|2exp[±ß.j(.l-z)]. Численный анализ показал, что рассматриваемый эффект слабо зависит от параметров оптической активности и соотношения (4) - (6) с высокой точностью выполняются и для гиротропных кристаллов.

Показано, что при условиях (4)-(6) происходит согласованное распределение анергии электромагнитного поля между собственными- (преимущественно, преломленными) волнами в кристалле, отраженной и прошедшей кристаллический слой волной при существенном влиянии оптической интерференции. Указаны возможности использования данного эффекта для. определения характеристик кристаллических пленок и в устройствах оптической обработки информации.

В третьей главе исследованы оптические свойства СР, образованных поглощающими гиротропными кристаллами кубической и ромбической сингоний, и ФА преобразование в таких структурах. В плосковолновом приближении рассмотрен случай короткопериодных СР: В « X, где D - период СР, состоящий из двух слоев с относи-, тельными толщинами х = (Lf/D, • 1-х = 'dg/D (D = £Ц + й^), X -длина волны излучения, падающего нормально к границам СР.

С разделе 3.1 исследовано поглощение световой энергии в СР,, образованных кубическими кристаллами. При указанной геометрии" взаимодействия с излучением оптические свойства таких СР эквига-лентны свойствам изотропных сред с' эффективными комплексными параметрами

Ае = <А> = X А1 + (1-Х) Ag , (7)

где Aj = Ej, - скаляры диэлектрической проницаемости и оптической активности СР (о'=е), первого и второго (¿=1,2) компонентов СР. В этом случае возможно использование соотношений раздела ■2.1, при заменах, соответствующих усреднению (7). Численный анализ показал возможность получения СР с заданными дихроичныш свойствами при варьировании оптических параметров компонентов и геометрии СР. При этом изменения эллиптичности г возбуждающего излучения (1 = -1 + 1) и параметра х (х = 0 + 1) сопоставимо влияют на поглощение энергии электромагнитного излучения.

Установлено, что диссипативные свойства рассмотренных СР,

шочая дихроичпые, могут не быть промежуточными между соответ-гвулцими свойствами компонентов СР. Обоснованы возможности штроля параметров таких СР фотокалориметрическими методами.

В разделе 3.2 исследованы, характеристики электромагнитных эбственных волн (СВ) для СР, образованных кристаллами класса 22. Рассмотрен случай, когда компоненты СР имеют одну общую ось горого порядка, перпендикулярную границам слоев и параллельную элновой нормали паданцвго на СР излучения. При такой геометрии з основе методик расчета эффективных тензоров диэлектрической зоницаемости £43 и оптической активности а [51 получено:

9 в

£е

Ь - Н 0 * НПО

о о с .

а

в

Р Р о

р а о

ООН

(8)

1<э комплексные компоненту тензоров определяются оптическими по-гоянными, расположением слоев и даны в диссертации. В общем 1учае тэнзоры Бе, ае не приводятся" к диагональному виду.

В результате решения волнового уравнения для естественно тротропных сред СЗ] с учетом- (8) определен общий вид прелом-энных и отраженных СВ в СР, которым соответствуют показатели юломления гц = п+ , п^ = п_ ,

1 /2

П2 = (1/2)| Ь +■ N + [(Ь - N )2 + Ш2 + С2 ] | , (9)

;е = гт - Р2),' = 4(Р + 0)(1Д + ИР - 2КР).

Проведен численный анализ эллиптичностей, азимутов поляриза-ш и величины неортогональности (3 преломленных СВ в СР в зави-шости от геометрии структуры, параметров поглощения и гиротро-ш. В частности, установлено, что в данных СР величина р может )стигать значений 0.2 - 0.3 рад при типичных оптических свой-гвах. компонентов. Влияние гиротропии на неортогоналъность СВ пцественно ослабевает с уменьшением оптического поглощения. Потны возможности изменения в широких пределах поляризации СВ и >лучения материалов с различными оптическими свойствами за счет !бора геометрии слоев и компонентов СР.

В разделе 3.3 результаты' раздела 3.2 использованы для рэ-;ния граничной электродинамической задачи, определения элек-эомагнитных полей вне СР и величины диссипации световой энер-ш в СР, образованных ромбическими кристаллами. Определена за-

висимость интенсивности прошедаего СР излучения от поляризаци падающего света, при ае = 0 имещая вид

Ка0,ф)=(^+1 )-1{р1^+р2го+р3+(^-1 )[р4а1л2(ф>+р581п(2ф)]}, (11

где величины рв (в=1+5) не зависят от эллиптичности т0 и азимута поляризации ф падающего на СР излучения.

Показано, что варьирование геометрии СР при типичных значениях оптических постоянных слоев ведет к существенным изменения! диссипации световой энергии, интенсивности и поляризации взаимо-действувдего со СР излучения. При этом преобразование поляризационных характеристик слабо зависит от параметров поглощения, что дает возможность эффективного управления, в частности, поляризацией электромагнитного излучения при малом изменении интенсивности. Установлено, что при определенных параметрах диссипация энергии и интенсивность прошедшего СР излучения могут не зависеть от азимута поляризации падающего света, несмотря на сильную оптическую анизотропию СР. Механизм т.акой компенсации влияния оптической анизотропии аналогичен рассмотренному в разделе 2.4, а условия, при которых данный эффект имеет место, при х = 1 соответствуют соотношениям (4) - (6).

Б разделе 3.4 на основе соотношений, полученных в разделе 3.1, исследовано ФА1 преобразование (газомикрофонный метод регистрации ФА сигнала 113) в СР, образованных гиротропными кристаллами кубической сингонии.

Предполагалась '-правэдливость соотношения (7) для эффективных коэффициентов тепло- и температуропроводности СР. Получены общие выражения для амплитудных и фазовых характеристик ФА сигнала и рассмотрены практически важные частные случаи. Поквзано, что особенности, определяемые эффективным характером параметров СР и наличием циркулярного дихроизма, в большей степени проявляются для амплитуды ФА сигнале. Определены условия проведения ФА измерения и контроля ФА методом геометрии СР (относительных толщин компонентов СР), эффективных теплофкзических характеристик, параметра циркулярного дихроизма. Установлено, что чувствительны* ФА измерения в гиротропных СР требуют учета не только эффективных и геометрических параметров слоистой структуры, но и эллиптичности возбуждающего излучения, а также многолучевой оптической интерференции в СР.

Четв9ртая_глава диссертации посвящена исследовании ряда эффектов, связанных с влиянием внешних управляющих факторов (в частности, электрических и магнитных полей) на оптические характеристики короткопериодннх СР. Анализ проведен в длинноволновом приближении для СР, образованных сдоями произвольной кристаллографической симметрии.

В разделе 4.1 на основе методик Г4, 5] получены общие соотношения, определящие комплексные несимметричные тензоры диэлектрической и магнитной проницаемоотей, оптической активности СР, а также малые изменения данных тензоров. Как для эффективной среды (о = е), так и для компонентов СР (д = 1,2) использовались материальные уравнения СЗЗ: е^Е^ + а^Н^ ,

дШ- ц(з)ц(з) + р(з)^(з)> описывающие среды с различными видами анизотропии и гиротропии. С учетом того, что обычно е, |л > а, ¡3 [3], расчеты-выполнены в линейном по компонентам тензоров а, р приближении. Частные случаи полученных соотношений описывают эффекты высших порядков в короткопериодннх СР, обусловленные малыш изменениями тензоров а, ц, а, р.

В разделе 4.2 исследованы электрооптические (30) свойства СР. Определен вид эффективных тензоров линейных и квадратичных 30 коэффициентов и показано, что на основе СР возможно получение материалов с широким диапазоном 30 свойств, которые могут нэ иметь аналогов среди монокристаллических сред. На примере структур из кристаллов класса 43т, к которым относится большинство реализованных СР, рассмотрены возможности управления ЭО характеристиками за счет вариации параметров слоев. Показаны преимущества использования СР из одноосных кристаллов при наличии искусственной 5 - изотропии в качестве активных элементов ЭО затворов.

В разделе 4.3 исследованы эффекты Фарадея (обычный и вынужденный - при наличии постоянного управляющего электрического по-1я) и линейная магнитогирация в СР. Определен общий вид эффективных тензоров, описывающих перечисленные явления. В частности, изменение тензора 8(в) = при эффекте Фарадея

(Н£ - напряженность управляющего магнитного псля, 12=-1, е1 -гензор Леви-Чивита) определяется усреднением вида (7) величин

ЪзЪНз • Ъз^и - V Ьэ{Ьз + 5^13 + Р27,23) '

Ъз + Р^и + Рг^л - ЬбЬ1{Ъэ + Р^э + Фгз*

(11)

где 1,3 = 1,2, р^ = £¿3^33 , е и ц - тензоры^ диэлектрической и магнитной проницаемостей в отсутствие поля Н°. Установлены условия, при которых эффективные магнитооптические параметры СР превосходят соответствующие величины для ее компонентов, а также показаны возможности получения на основе СР новых магнитогираци-онных материалов.

В разделе 4.4 определен общий вид тензоров, характеризующих нелинейную оптическую активность (НЛОА), линейную и квадратичную электрогирацшо в СР. Анализ НЛОА проведен в приближении заданного поля для случая монохроматической волны накачки и отсутствия влияния пробной волны на материальные тензоры СР. Показано, что наличие дополнительной трансляционной симметрии ьедэт к специфическому проявлению указанных аффектов в СР. В частности, установлено, что переход от кристаллов класса 43т к СР со слоями из данных кристаллов ведет к увеличению в три раза числа независимых компонент тензоров, характеризующих НЛОА и электрогирацшо. При этом симметрийные свойства НЛОА второго порядка и квадратичной электропфации в таких СР не имеют аналогов среди монокристаллических сред, а компоненты соответствующих тензоров не сводятся к простому усреднению характеристик слоев.

В приложениях приведены вид тензоров ЭО эффектов для СР, а также условия усиления эффективных ЭО характеристик СР.

ВЫВОДЫ

Подводя итог проведенным исследованиям, сформулируем основные результаты и выводы, полученные в диссертационной работе.

1. Установлены новне особенности диссипации энергии плоских монохроматических, электромагнитных волн в кубических и одноосных гиротропных кристаллах, обусловленные взаимосвязанным влиянием поляризации возбуждающего излучения, .оптической активности и анизотропии, многолучевой интерференции.

2. При произвольном сочетании эффектов поглощения, анизотропии, гиротропии развита методика фотоакустических измерений параметра циркулярного дихроизма в кубических кристаллах, предложены ноше фотоакустические методы определения всех диагональных компонент комплексного тензора гирации, коэффициентов поглощения собственных волн в кристаллах оредних сингоний.

3. В длинноволновом приближении получены решения граничных задач о взаимодействии электромагнитных волн со сверхрешетками, образованными гиротропнкми кубическими и ромбическими кристаллами. Показаны возможности эффективного преобразования такими структурами характеристик электромагнитного и&лучения. Определены условия, при которых возможен контроль параметров сверхрешеток методами фотоакустической спектроскопии.

4. Предсказан и исследован эффект компенсации влияния оптической анизотропии монокристаллов и кристаллических структур на энергетические характеристики электромагнитного излучения. Установлено, что данное явление обусловлено интерференционными особенностями распределения энергии электромагнитного поля между собственными, преимущественно, преломленными, волнами в анизотропной среде. Показаны возможности практического использования данного эффекта.

5. В приближении эффективной среда получены общие соотношения для расчета малых изменений комплексных несимметричных тензоров диэлектрической, магнитной проницаемостей, оптической активности, обусловленных воздействием управляющих внешних факторов.

6. Определен вид тензоров электрооптических, магнитооптических эффектов, нелинейной оптической активности для короткспериод-ных сверхрешеток, образованных компонентами произвольной кристаллографической симметрии. Выявлены новые возможности использования сверхрбшэток в- качества-перспективных оптических материалов.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Митюрич Г.С., Стародубцев Е.Г. Особенности формирования фотоакустического сигнала в гиротропном слое // Опт. и спектр. - 1993. - Т.75, И 4. - С. 789 - 794.

2. Mltyurich G.S., Starodubtsev E.G. Disslpative properties of gyrotropic superlattlces in the long wavelength approximation // Proc. of Intern. Workshop "Bianisotropics'93".-Езроо,'Finland, 1993. - P. 9T - 100.

3. Митюрич Г.С., Стародубцев Е.Г. Диссипативные свойства гиротропных сверхрешеток в длинноволновом приближении // Опт. и спектр. - 1994. - Т.76, & 4. - С. 656 - 659.

4. Mltyurich G.S., StarodubtsQT E.G. Characteristic properties of light energy dissipation in uniaxial gyrotropic crystals // Proc. of Intern. Workshop "Chiral-94'". - Perigueux,

France, 1994. - Р. 427 - 432.

5. Mityurich G.S., Starodubtsev E.G. Photoacoustic transformation In uniaxial gyrotropic crystals // Proc. of Intern. Workshop on Modern Acoustics. - Nanjing, China, 1994. - P. 74.

6. Mityurich G.S., Starodubtsev E.G. Photoacoustic spectroscopy of short-period gyrotropic superlattices // Proc. of Int. Workshop on Modern Acoustics. - Nanjing, China, 1994. - P. 86.

7. Митюрич Г.С., Стародубцев Е.Г. Особенности диссипации световой энергии в одноосных гиротропных кристаллах // Опт. и спектр. - 1994.- Т.77, * 4. - С. 613 - 616.

8. Митюрич Г.С., Стародубцев Е.Г. Фотоакустическая спектроскопия короткопериодных гиротропных сверхрешеток // Кристаллография. - 1994. - Т.39, И 6.- С. 1048 - 1052.

9. Starodubtsev E.G., Mityurich G.S., Ranachov/ski J. Electromagnetic waves and photoacoustic transforation in gyrotropic Buperlattices. - Preprint / Institute of Fundamental Technological Research. - Warszawa, Poland, 1994. - 29 p.

10. Митюрич P.С., Стародубцев Е.Г. Особенности фотоакустического преобразования в одноосных гиротропных кристаллах // Опт. И спектр. - 1995. - Т.79, JS I. - С. 95 - 100.

11. Starodubtsev E.G., Mityurich G.S. Power transformation of electromagnetic radiation by gyrotropic supergratings formed by crystals of rhombic singony // Proc. of Intern. Conference "Chilli*95". - Pennsylvania, USA, 1995. - P. 157 - 160.

1. Rosencwaig A. Photoacoustics and photoacoustic spectroscopy. - New York: J. Wiley, 1980. - 360 p.

2. Jackson W., Amer N.M. Piezoelectric photoacoustic detection: Theory and experiment // Appl. Opt. - 1980. - Vol. 51, J6 6. - P. 3343 - 3353.

3. Федоров Ф.И. Теория гиротропш. - Минск: Наука и техника, 197G. - 456 с.

4. DJalari Rouhani В., Saprlel J. Effective dielectric and photoelaatic tensors of superlattices in tbs long-wavelength regime // Phye. Rev. B. - 1986. - Vol. J34, Я 10. - P. 7114 - 7117.

5. Самченко И.В. Гиротройные свойства сверхрешеток в длинноволновом приближении // Кристаллография. - 1990. - Т. 35, J6 Б.

СПИСОК ЦИТИРОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

- С. 1047 - 1050.

РЕЗЮМЕ

Стародубцев Евгений Генрихович

Особенности распространения электромагнитных волн и фотоакустическое преобразование в гиротропных кристаллах и сверхрешетках.

Ключевые слова: гиротропные кристаллы, плоские электромагнитные волны, фотоакустическая спектроскопия, слоисто-периодические кристаллические среды, сверхрешетки, длинноволновое приближение.

Объектом исследования в диссертационной работе является взаимодействие плоских электромагнитных волн (8МВ) с кристаллами и слоисто-периодическими кристаллическими структурами, или сверхрешетками (СР), обладающими сочетанием различных видов анизотропии и гиротрошш. Цель работы состоит в анализе особенностей преобразования характеристик ЭМВ гиротропными кристаллами, короткопери-одными СР, а также в разработке на этой основе теории фотоакустического (ФА) эффекта в данных средах. В расчетах использовались метода ковариантной электродинамики кристаллических сред, разработанной Ф.И. Федоровым и его учениками. При исследовании ФА преобразования модели Розенцвейга - Гершо, Джексона - Амера обобщены с учетом специфики оптических свойств исследуемых сред.

Установлены новые особенности преобразования характеристик плоских ЭМВ и ФА эффекта в кубических и одноосных гиротропных кристаллах, короткопериодных СР, образованных кубическими и ромбическими (класс 222) кристаллами. На этой основе для указанных сред предложена методика ФА измерений параметров гиротрошш, оптического поглощения и анизотропии, определения геометрии слоев. Показано, что многолучевая интерференция в анизотропном слое монет компенсировать влияние оптической анизотропии кристалла или СР на энергетические характеристики ЗМВ. В длинноволновом приближении определен вид тензоров электрооптических, магнитооптических эффектов, нелинейной оптической активности в СР, образованных компонентами произвольной кристаллографической симметрии. Показаны ноше возможности использования СР в качестве оптических материалов.

Полученные результаты могут найти применение при разработке приборов ФА спектроскопии, преобразователей характеристик ЭМВ, устройств оптической обработки информации.

РЭЗШЕ

Старадубцау Яуген1й Генрыхав1ч

Асабл1ввсц1 распаусвдивання алвктрамагн1тных хваляу I фотаакус-тычнае пераутварэше у гХратропных крышталях i звышрашотках.

Ниочавыя словы: г1ратропныя крыштал!, шюск1я электрамагн:1гныя хвал!, фотаакустычная стктраокап1я, сла1ств-перыядачныя крышта-левыя асяроддз1, звышрашоткЗ., доугахвалевае прыбл1иэнне.

Аб'ектам даследавання у дысертацыйнай працы з'яуляецца уза-емадзвяше плоск1х электрамагн1тных хваляу (ЭМХ) з крышталям1 1 сла1ста-перыядычным1 крышталевым1 структздрам1, ц1 звышрашоткам! (ЗР), валодаючым! спалучэннеы розных в!дау ан1затрап11 i г1ратра-nii. Мэта працы заключаецца у анал1зе асабл1васцей пераутварэння характеристик ЭМХ г1ратропным1 крышталям1, кароткаперыядным! ЗР, а таксама у распрацоуцы на гатай аснове тэоры! фотаакустычнага (ФА) зфекте у дадзеных асяроддзях. У выл1ках выкарыстоувал1сь ме-тады каварыянтнай электрадынам!к1 крышталевых асяродцзяу, распра-цаванай ФЛ. Федаравым i яго вучням!. Пры даследаванн! ФА пераутварэння мадэл! Разенцвейге-Гершо, Джзксана-Амера абагульнены з ул1кам спецыф1к1 алтынных уласЩвасцей даследаваных асяроддзяу.

Устаноулены новыя асабл1васц1 пераутварэння характарыстык плоск1х ЭМХ 1 ФА эфекта у куб1чных i аднавосевых г1ратропных крышталях, кароткаперыядных ЗР, створаных куб1чным1 I рамб1чным1 (клас 222) крытталям!. На гэтай аснове для зазначаных асяроддзяу прапанавана методика ФА вымярэнвяу параметрау ПратрапИ, аптыч-нага пвглынання i ан1затрап11, гевметры1 структуры. Показана, што многапрамяневая 1нтэрферэнция у ан1затропным curai можа кам-пэнсаваць уплыу аптычнай ан1затрап11 крышталя ц1 ЗР на внергвтыч-ныя характарыстык! ЭМХ. У доугахвалевым прыбл1кэнн1^устаноулен в1д тэнзарау электрааптычных, магн1тааптычттах эфектау, нал!ней-най аптычнай актыунаоЩ ЗР, створаных кампанентам1 адвольнай крыштеляграф1чнай с1метры1. Паказаны новыя магчнмасц1 выкарыстан-ня ЗР у якасц1 аътычных матерыялау.

Атрыманыя результаты могуць знайсц1 прымяненне пры распра-цоуш прыборау ФА спектраскапИ, пераутварчльн1кау характарыстык ЭГЛХ, устройствау аптычнай апрацоук! 1нфармаци1.

ABSTRACT

Starodubtsev Evgenii Genrihovitch

¡atures oí electromagnetic waves propagation and photoacoustic 'ansformation In gyrotropic crystals and euperlatticea.

:y words: gyrotropic crystals, plane electromagnetic waves, pho->acoustic spectroscopy, layered-periodic crystal media, super-ittices, long wavelength approximation.

The object of investigation in the dissertation is interac-Lon of plane electromagnetic waves (EMW) with crystals and lay-ed-periodic crystal structures or superlattices (SL) having a >mbination of various types of anisotropy and gyrotropy. The aira the work is the analysis of distinctions of EMW characterises transformation by gyrotropic crystals, short-period SL and ivelopment on tnis base of photoacoustic (PA) effect theory in íe given media. The methods of the crystal media covariant elec-"odynamlcs developed by P.I. Fedorov and his disciples were used i the calculations. At PA transformation study the Rosencwaig -¡ratio and Jaclsson-Amer modelB were generalized with the account '. optical properties features of the media Investigated.

The new distinctions of plane EMW characteristics transfor-ition and PA "effect in- cubic and uniaxial gyrotropic crystals, íort-period SL formed by cubic and rhombic (class 222) crystals ive been ascertained. On this base the methods of PA measuring irameters of gyrotropy, optical absorption and anisotropy, ;ructure geometry have been developed for the indicated media. ; was shown that multibeam interference in anisotropic layer in compensate the effect of crystal or SL optical anisotropy on íe EliW energy characteristics. In the long wavelength approxima-Lon the tensors describing electrooptical, magnetooptical ef-!cta,'non-linear optical activity in SL formed by components of 'bitrary crystallographlc symmetry have been determined. The new )portunitles of using SL as optical materials have been showed.

The received results can find an application at development : PA spectroscopy devices, EMW characteristics transformers and i information optical processing arrangements.