Параметрическое рассеяние света в пространственно-неоднородных сегнетоэлектриках тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА,ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕЬОЛПР! И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТЕГШСЙ! УНИЖГОПЕТ имени М. В. ЛОМОНОСОВА

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

(1а правах рукописи УДК 535.375.5

КУЛИК Сергей Павлович

~ ПАРАМЕТРИЧЕСКОЕ РАОСШМЕ СЖГА Ь ЛИСТРЛ11СТЖ1{1Ю-!ЕОД,ЮРОД11НХ СЕГНЕТОЭДЕКГРИМХ

( 01.04.21 - лазерная физика )

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандината физико-математических наук

Москва - 199/

Работа выполнена на кафедре квантовой радиофизики физического факулмгета ИГУ нм.Ломоносова Ы.В,

доктор физико-математических наук/ ведущий научный сотрудник А.Н.Пенин,

кадидат физико-математических наук, научный сотрудник Китаева Г.Х.

доктор физико-математических наук, начальник отдела

Ахыедиев Н.Н.,

кандкдат физико-математических наук, старший научный сотрудник Саяхов Р.Ш,

Институт Спектроскопии АН ОССР

и.— г.Троицк

/ С л * *

Заа^та состоится " ^ 1991 г. в N часов

в иуд- ^ на заседании Специализированного Совета № I

Отделения радиофизики ¿■нэического факультета Московского

Государственного Университета км.Ломоносова М.В.

I шифр К.053.05.21) по адресу¡119899.ГСП,Москва,Ленинские

гори,ЛГУ.Физический факультет,корпус нелинейной оптики.

С диссертацией можно ознакомиться ь библиотеке физического

факультета МГУ /., ^ .-——-.

Автореферат разослан Ученый секретарь Слециадазировпнного „'■/..

Совета № I отделения рядисфизики физического факультета МГ'У > кандидат физики-*«-. гьнатических науку,/ , ' /А.И.Гогдэнова

Научные руководители:

Официальное оппоненты;

Ведущая организация

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертация посаящена экспериментальной^ исследованию фононных поляритонов в пространотваино-кеоднородньк сегнето-элегстрических кристаллах методом спектроскопии параметрического рассеяния света.

Актуальность теш диссертационной работы определяется следующими тремя аспекте;«:

Í.Нарастающий в последнее время интерес к твердотельным пространственно-иеоднороднкм структурам.Развитие данного направления вызвано,с одной стороны,многообразием физических проблем,возникающих вокруг ряда существенно новых по сравнению с однородными средами характеристик подобных структур. Tau,для классических ( оптических ) неоднородностей,размеры которых порядка идя превышают длину волны X «на возмущениях диэлектрической проницаемости возможна локализация новых состояний ¡электромагнитного поля,таких как поверхностных или волноводных поляритонов,на имеицих аналогов в бесконечных однородных средах и поведение которых содержит богатую информацию о свойствах неоднородных систем.В периодических структурах аакон дисперсии влэктромопштннх ( а также акустических,плазменных ) волн содержит чег:еучупциеея разрешенные и запрещенные по частоте зсш.шириш которых; определяются глубиной модуляции параметров среды,Квантовые неоднородности <J«£ ,где ¿ - длина сзойодного пробега носителей сейчас яялякяся предметом исследований нового направления физики полупроводников - физики сверхррас-ток.ужтняьнш

еьойства которых,также как и классических сверхрешеток,определяются зонной структурой закона дисперсии квазичастиц - 4'отоноп .фононо в,поляритонов,эксиг онов.

С другой стороны,прострамственно-неоднородные структуры вызывают чисто практический интерес.На их основа создаются всевозможные устройства,служащие для управления параметрами излучения в разных диапазонах спектра,такие как фазовые дифракционные решетки,поляризационные фильтра.затворы и т.д.Использование квантовых евзрхрешеток в микро- и ншюэлектронике привело к синтезу перспективных нелинейных материалов и разработке новых технологий,оперирукедих на уровне размеров в десятки и сотни ангстрем. 2.Дальнейшее развитие метода спектроскопии параметрического рассеяния света ШРС).Вовлечение в круг неелапаемых методом I1PC объектов пространственно-неоднородных кристаллов способствует получению существенно новой информации о ряде физических процессов в подобных структурах ( возникновение ноши состояний электромагнитного поля,локализованных на неодно-родчоотях,модификация закона дисперсии,изменение характера протекания синхронных процессов в периодических средах и т,,»^ а также о структуре имеющихся в кристалле неоднородностей, о гармоническом состава функции,описывающей пространственное распределение восприимчивости» и т.д.Возможность исследования перечисленных свойств неоднородных структур обусловлена высокой чувствительностью условий пространственного синхронизма (IPC к изменению дисперсионных свойств среда, к ппше однозначно связаны с характером дополнительней

трансляционной симметрии,возникающей при модуляции параметров среда.

3,Поиск структур как искусственного,так и встесственного происхождения о перестраиваемыми параметрами пространственных наоднородноетей.т.к.наряду с изучением дисперсионных свойств в их динамика появляется возможность создания сверл-решеток о заданными параметрами.Выбор,в этой связи,в качестве о<Ь.екгов исследования нристадлов-сегнетоэлектрико» с разлишшм характером пространственной модуляции оптических свойств -- от простейшего - синусоидального,до сложной функции с переменным периодом и глубяной модуляции представляется своевременный и интересным как о точки зрения физики сегнетоалектрияов.так и с точки зрения практической применимости в устройствах квантовой и твердотельной электроники.

Цель работы заключалась в последовательном решении трех вза-имносвязашшх задач:

Г.Лолучение спектров НРС в пространственно-неоднородных сег~ нею электриках с различили характером модуляции восприимчя-востей первого и второго порядков,

2.Экспериментальное исследование влияния пространственном модуляции восприимчивостяй на условия протркаиия процеезг. параметрического рассеяния овета.

3.Определение по частотио-угловии спекгрен КРС характеристик рассеивающей среди, то чих как з&кон дисперсии, структура и конфигурации пространственной неоднородности диэлектрической лр5ницгемости и кейдртлг'ной восприимчивости.

Научная новизна работы

1.Впервые подучены спектры ПРС в пространственно-неоднородных кристаллах с периодическим возмущением диэлектрической проницаемости.На примере кристаллов ¿¡/¡/¿¿¿¡х/^О,проанализировано влияние линейной дифракции холостой,сигнальной и лазерной волн на частотно-угловое распределение интенсивности спектров ПРС.

2.Впервые зарегистрирован эффект нелинейной дифракции при ПРС, В слоистых кристаллах ¿л^й/^ х У и Ва^А/о-А/^-О^-, периодическая модуляция квадратичной восприимчивости в которых обусловлена локализованной на ростовых неоднородностях доменной структурой.Определены период ориентация и гармонический состав функции,описывающей пространственную зависимость аффективной квадратичной восприимчивости.

3.Предложена методика определения закона дисперсии периодически-неоднородных кристаллов с молой глубиной модуляции диэлектрической проницаемости.

4.В полидомзнных пространственно-неоднородных кристаллах К £>Р исследовано явление упругого рассеяния по л яр изо Банного света доменной структурой,Обнаружен эффект упорядочива- -ния дискретных частотно-угловых спектров по интенсивности и ксжмодовому расстоянию.

5. Б шлидомашшх кристаллах МЬР ,М£>Р обнаружены оЗДекты нарушения правил отбора комбинационного рассеяния (Ь*Р) и пояоленин новиэс поялритошмх мод о аномальной частотно-угловой дисперсией.Эти »{фокти прямяэтся о пглгггнх ШЧ! благодаря аиизотиопной до^-деюдеи на. доминой структур': рассеянных (сто,;со!:и;<) волк.

Практическая ценность работы связана с воэиояиостьп использования предложенной в ней методики дяя определения закона дисперсии периодически-неоднородных кристаллов; извлечения информации о структуре периодической неоднородности диэлектрической проницаемости и квадратичной восприимчивости.Полученные в работа результаты необходимы дАя дальнейшего развития метода спектроскопии ПРО и распространения его на неоднородные кристаллы.

На защиту выносятся рледуидиа основные положения: ¡.В пространственно-неоднородных кристаллах меняется условия протекания процесса ПРС. В спектрах ПРС возникаэт дополнительные перестроечные кривые,связанные:

а) в кристаллах с малой глубиной периодической модулями диэлектрической проницаемости - с линейной дифракцией лазерной и сигнальных волн,

6} в кристаллах с периодическим изыэнешем квадратичной восприимчивости - о нелинейной дифракцией. 2.Частотно-угловое распределение интенсивности спектров ПРС в условиях линейной и нелинейной дифракции несет информацию как о закона дисперсии периодической среда,так и о структуре неодиородностей.

З.При распространении через поладоыенный кристалл К ЪР в плоскости перпендикулярной доменкш стенкам поляризованного света происходит перенос анергии в мода излучения с ортогональной поляризацией.Направления и ч&стоти,соответствующие зМ'ентивноыу переносу знергии оиредзляются структурой доменной свсрхрсшетки.

4, В eneuipax рассеяния на поляритоках в полидамешшх кристалле;* К1>Р появжеьда йодах ноддуятонных мод а аномальным ходом частотно-угловой дисперсии,а такие нарушение правил отбора КР обусловлено слоистой доменной структурой. 5Л1о спектрам IIPC з пространственно-однородных модификациях образцов измерены:

в кристалле Liti&Q3 * M$Q

-дясп$мя обыкновенного показателя преломления в диале« зоне частот SOD-6000с»' -продольная и сдвиговая скорости звука в кристалле К&Р

-дисперсия главных значений действительных компонент

диэлектрической проницаемости в резонансном диапазоне 700 - 4000 см"1 при Т*100°И.

Диро^ацид работы.Результаты диссертации доложены на семинарах кафедры квантовой радиофизики физического факультета МГУ;111 н IУ Всесоюзных конференциях по спектроскопии комбинационного рассеяния света {Душанбе 1986,Ужгород 1969гг.); Республиканской гасоле-семшаро по спектроскопии молекул и и кристаллов (Тарнополь 1989г. )и Всесоюзном семинаре по математическое моделированию и лриченени» япгтаний дифракции (Москва 19&0г),

Оспошше результаты проведенных исследований опубликованы о

В

10 печатных работах,список когорь-х щягводмМгошр вэторч^в-

пага.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Диссертация состоит из введения,четырех глав и заключения.Общий объем работы ) i страниц.Она содержит 35 рисунков, I таблицу и список цитируемой литературы на^У названия.

Во введении обосновывается актуальность темы,сформулирована цель диссертационной работы и дан краткий обзор ее содержания.

Первая глава носит обпоршй характер.В ней рассматривается основные свойства электромагнитных волн в средах с периодической модуляцией восприимчнвостей .Несмотря на то,что в бочь шинстве своем эти результаты хорошо известны,авмр счел необходимым их кратное изложение,выделяя,в основном,те положения которые непосредственно будут использованы в оригинальных глодая III п 1У: -.о законе дисперсии и nonp&Arsx к частотам на границах запрещенных зон ( §1.1,1.3 }, связанных модэт в неоднородной среде ( §1.2 ),о структуре Сло.хспского волнового »шсла и фазовой скорости блоховской волны ( §1,4 }.Отстав

дельный параграф ( §1.6 ) ггосвшдан вопросам просгрэШой fid -

tud.)

дуляции восприимчив сети второго порядка 1< . и изм^Ненио условий протекания синхронных процессов в подобных структурах.

В параграфе £1Л второй главы изложены веггр^-л^кам'о'.л" еся интенсивности и чеототно-угловой йорж .гении ПРС « одр:: родных кристаллах.В от(м яо главе описяча экспериментальная установка длп набтаденпя спектров ПРО ( §11.2 ).0оно?ное fw • • в этой главе уделено обсухд!»ни» crtooofien регчегр'-гда

слабых сигналов ПРС,обусловленных пространственными неодно-родностями в образцах.

В тетьей главе собраны экспериментальные результаты по ИГО в кристаллах с модулированной диэлектрической проницаемостью.

Б параграфе ШЛ приведены основные понятия и определения, используемые в дальнейшем.Локазано,что в исследуемых слоистых кристаллах осуществлялся,как правило.брзгговский ( или переходной) режим дифракции сигнаяышх и лазерной волн.

И параграфе Ш.2 рассматривается неоднородность показателя преломления в кристалла№<¡0 .наведенная ультра» звуковой волной.Приводятся обоснование выбора в качестве модельного осаекта кристалла//Ас простейшим типом неоднородности - гармонической решеткой с перестраиваемыми периодом и глубиной модуляции.

В параграфе III.3 анализируется влияние периодической модуляции диалектрической проницаемости £(?) на частотно-уг-лоаыв спектры ПРС.Рассматривается обобщенное условие синхронизма ПРС в условиях линейной дифракции лазерной,холостой и еитаяьной волн.В этом же параграфе описывается мгтодика измерения зонной структуры закона дисперсии периодических кристаллов на примерз образцов С иодулирлппш'ой диэлектрической проницаемость».

В параграф« III.4 собран« результаты но рассеянию на ноля-,.итонал а полидоиеншх и нсиэдомсниих /СОЛ прчлздачних геометриях рассеяния.При оряентаики треугольника синтги»-иизка Б плоскости,ортогональной доюлшш сгоним и СМ-ЛТрМ

полздонешшх (т.е. пространственно-неоднородных ) кристаллов содержится ряд специфических особенностей,вызванных наличием доменной структура

I.Нарушаются правила отбора КР света.Так,например,проявляется колебание А^-тила на частоте 910 см~*,запрещенное в отой геометрия.

2.Зарегистрированы новые поляритошше иода с аномальным ходом частотно-угловой дисперсии,которым не отвечают каки-либо частоты фундаметалышх колебаний кристаллической решетки первого или второго порядков.

В параграфе III.4 рассматривается конфигурация возникавшей в сегнетоэлектрической фазе ( Т<123°К ) слоистой доменкой структуры кристалла КХ)Р .Здесь модуляция дяе-лектрической проницаемости происходит за счет анизотропии свойств соседних доменов и сильно зависит от направления распространения волн.

В параграфе III.6 приводятся экспериментальные данные по упругому рассеянию поляризованного света доменной структурой КТ)Р .Эти результаты используются при объяснении особенностей поляритонных спектров ( ЦП,5 ) и для обоснования применения методики восстановления ветвей закона дисперсии, отвечающих блоховским гармоникам волновых векторов. В этом же параграф« проводится статистическая обработка дискретных частотно-угловых спектров упругого рассеяния поляризованного света в подидоиекных КйР .

Глава 1У посвящена исследования трехфотонного ПГО в согнете-электриках с пространствзннсй модуляций квадратичной восприимчивости.

Структура периодической неоднородности квадратичной восприимчивости в кристаллах НБН tUA/Щ* У рассматривается в параграфе ХУЛ,Пространственное изменение ве личины J/щ возникает благодаря локализации на ростовых не-однородностях доменной структуры.Период и профиль функции модуляцийуИ'^ задается при выращивании кристаллов.

В параграфах1У.8,3 анализируется процесс ПГС в слоистых кристаллах

ИБИ н1Млх¥ •По спектрам ПРС определяется период,ориентация,гармонический состав модулирующей функции,а также влияние неидеальностей сверхрешетки у^, U ) на форму линии ПРС.По предложенной в §111.3 методике в ус« ловиях нелинейной дифракции восстанавливается закон дисперсии периодически-неоднородных образцов ,

В параграфа iy.4 приводятся результаты по нелинейной дифракции при ПРС в слоистом долидоменном кристалле Kftfi Показано,что при определенных геометриях рассеяния нелинейная дифракция на непериодической доменной структуре со сложным профилем пространственной модуляции приво-

дит к уменьшению эффективности рассеяния на холостых волках .поляризованных в плоскости.перпендикулярной доменным стенкам.

В заключении сфор!луляроваш основные результаты работы:

I.Получены спектры ПРС в пространствешю-неодиороднкх кристаллах с периодическим возмущенней диэлектрической прски-таемости под действием ультразвуковой волны (LW&O^Mgtf), Проанализировано явление линейной дифракции лазерной,холос*»

ой и сигнальной воли при 11РС, сопровождающееся появлением .ополлитвдьных участков перестроечных кривых в частотно-глоанх спектрах ПРС.

.Зарегистрированы спектры ПРС в неоднородных кристаллах, ериодическая ыодуяяция эффективной квадратичной восприим-нвости в которых обусловлена локализованной на ростовых еоднородностях доменной структурнй. ( НбЦ )

¡озникновение дополнительных перестроечных кривых ПРС в пектрах слоистых кристаллов объясняется нелинейной дифрак-изй.Измерены период,ориентация и гарыонический состав функ-ии пространственного распределения квадратичной восприин-ивости.

.Предложена методика определения закона дисперсии в перио-ически-нсоднородннх кристаллах с иалой глубиной модуляции, етодика оснояана на совместно« использовании условий ространственного синхронизма ПРС и фазового синхронизма рэгга при линейной и нелинейной дифракция. •В пространственно-неоднородных лолидоиенных кристаллах КС>1) сследовано явление упругого рассеяния поляризованного света оиэнной структурой.Обнаружен эффект .упорядочивания дис-ретных частотно-угловых спектров по интенсивности и межмо-овому расстоянию.

.В полидомагашх кристаллах КЪР со елздньм характером одуляции восприимчивостей первого и второго порядков зар«-«стрировеш спектры рассеяния на поляритонах.При расселяй в плоскости .перпендикулярной даиошим стеикаи обнару-

жены эффекты нарушения правил отбора комбинационного рассеяния и появления новых поляритонных мод с аномальным ходом частотно-угловой дисперсии.Эти эффекты проявляются в спектрах ПРО благодаря ¿¡изотропной дифракция на доменной структуре рассеяньа (стоксовцх) волн. 6.По спектрам ПРС в пространственно-однородных кристаллах измерены:

в кристалле

-дисперсия обыкновенного показателя преломления в диапазоне частот: £Вй-6000см~' -продольная и сдвиговая скорости звука, в кристалле /60Р (монодоменизированном) — дисперсия главных значений действительных компонент £ диэлектрической проницаемости при Т=100°К в диапазоне частот: 700-4000 см .

Материалы диссертации отражены в следующих публикациях;

1.Александровский А.Д. .Китаева Г.X. .Кулик С.П. ,Пенни А.Н. Нелинейная дифракция при параметрическом рассеянии света, ШИ!, 1986, т.90, вып. 3, с.1051-1055.

2.Китаева ГЛ.,Кулик С.П.,Пенин А.Н.Новые моды в спектрах рассеяния на поляритонах в слоистых кристаллах.<ЙТ, 1987, т.29,выя ЛI,с.3489-3492.

3.Китаева Г.X.,Кулик С.П.,Пешн А.Н.Поверхностные поляри-тоны на границе между доменами.'ИТ, 1989,т.31,вып.II,с. 116-123. '

4.Александровский А.Л.,Ершова Г.й..Китаева Г.X.,Кулик СЛ!. Наумова II.И. Дарасенко В.В.Дисперсия показателен прелом-

ления в кристаллах Li/vtO^MyO иUM/^x Y .Юват. электр. 1991, *Д8,#2,0.254-256.

б.Китаева Г.Х.,Кулик С.П.,Пении А.¡{.Исследование поляри-тонсгв в слоистых кристаллах методом параметрического рассеяния светаЛезиси докладов XX Всесоюзного съезда по спектроскопии.Киев 1988,с.154

6.Китаева Г.Х..Кулик С.П.,Пении А.Н.Рассеяние света на по-ляритонах в пространственно-неоднородных сегнетоэлектри-ках.Красноярск I987,с322,тезисы докладов III Всесоюзной конференции по спектроскопии комбинационного рассеяния света (г./Пушанбе).

7.Китаева Г.Х.,Кулик С.П.,Пекин А.Н. Дифракция света при параметрическом рассеянии лазерного излучения в простран ственно-неоднородных средах с регулярной структурой.Тезисы докладов II Межрегионального семинара по использованию ла зеров.Волгоград 1989.

б.Китаева Г.Х.,Кулях С.П.,Ленин Л.И.Поляритонное рассеянла света в полидоменньос кристаллах.Тезисы'докладов 1У Всесоюзной конференции по спектроскопии комбинационного рассеяния света.Красноярск 1989,4.2,с.96.

9.Александровский А.Л..Китаева Г,X.,Кулик С.П.,Пенни А.Н., Наумова И,И.Исследование доменной структуры кристаллов сегнетоалектрикоп с помощью нелинейной дифракция свота. Twclth Euroi'eiui crjnt il lojraphic meetitu;',Мос>.йа 1989, v 1,p 277.

1и.К«1Ы1йа Г, X. ,Ку.1тк и.И, ,!1спйп А.К . Дифракция при рассей-яин сыпь ¡ш поляритоиах как метод исследования ьошшй са'р^кгу^и нз^иодически-веоднорйдних сред.Тезисы докладов Ьсе(;оюзного научного семинара Математическое моделирование в нри&еаение явямний дифракции.Москва, 1990,с,43-44

¿».„¡ь 16'.-' Тцъя, 100, ибьем О.ь уч. изд.-х, Веснлз'жо, (/гпеч»'энс на мютогвяьясм уч-ке (МОТ)