Светоиндуцированное селективное рассеяние света в фоторефративных кристаллах в схемах с двумя пучками накачки тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

Р Г 6 од

АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНЫ ИНСТИТУТ ФИЗИКИ

На правах рукописи

ГУЛЬКОВ МИХАИЛ ЮРЬЕВИЧ

ШТОИНДУЦИРОВАННОЕ СЕЛЕКТИВНОЕ РАССЕЯНИЕ СВЕТА В ФОТОРЕФРАКТИВНЫХ КРИСТАЛЛАХ В СХЕМАХ С ДВУМЯ ПУЧКАМИ НАКАЧКИ.

)1.04.05 - оптика

АВТОРЕФЕРАТ доссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Киев-1993

Раоота вииолнеаа в Институте физики АН Украины, г.Киев

Научный руководитель 'доктор физико-математических наук,

профессор С.Г.ОДУЛОВ

' ' : 1

Официальные оппоненты - доктор физико-математических наук,

профессор А.Н.ШШ

кандидат физико-математических наук В.Я.Г^ЙВОРОНСКИЯ

Ведущая организация - Киевский университет им. Т. I'. Шевченко

Защита состоится 25 ноМря 1993 года в 15 часов на заседашш специализированного Ученого совета К 016.04.01 по присуждению ученой степени кандидата наук при Институте Физики АН Украины (252650, Киев-28, проспект Науки, 46).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физики АН Украины.

Автореферат разослав ¿иТ&Ь/ьА. 1993 года.

Учений секретарь специализированного совета

кандидат физико-математических наук

0. Т/Л/ч-О.В.Нржонскал

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ'

. В фоторефрактишшх (ФР) средах, в которых падапций свет вызывает изменение показателя преломления 11), часто запись фазовых решеток двумя когерентными пучками сопровождается необычным селективным светоиндуцированным рассеянием в виде колец и вертикальных линий (столбиков) рассеяного света 121. Термин "селективное рассеяние" здесь используется чтобы подчеркнуть, что рассеяние яаблюда-этся лишь вдоль выделенных в пространстве направлений, хотя, в об-цем случае, такое рассеяние обладает также свойствами селективности и по поляризации и по частоте рассеяного света.

Селективное нелинейное рассеяние, как правило, связано с параметрическим усилением затравочного излучения при вырожденном по частоте четырёхволновом взаимодействии. Ранее оно наблюдалось и "¡нло правильно интерпретировано в таких изотропных средах как пары натрия (резонансная нелинейность) либо поглмцаицйе жидкости (тепловая нелинейность) [3,41.

Исследование селехтлского рассеяния б кристаллах с фотореф-рактивной нелинейностью преде»¿рляют интерес ко нескольким причинам. Во-первых, аниэотрогдя процбсзс-й зэткг/ и сшивания решеток тространстзенного наря;,ч -жлж кристаллах (ФРК) дояк-

13 привести к сусе01 -ло.-г^ой, угловс! а поляризацион-

ной чувствительности прои&сссв р&ссвшэд. Бо-кюрах, ФРК, относя-циеся к нецентросимметрич:::::.' классам Эй (кто?а? лития) и 4а (титанат бария) допускают' вказс^рстиюе (т.э. с полоротом плоскости толяризации) считывание, а иногда .: ачязотропнул запись дшамичес-шх решеток, что существеш-::> обогащав? набор зозможных процессов параметрического ргсс-пс:.;; ("»,61. И в-третьих, значительные нелинейные козф5гцкззты ОГК пр/.гс;;;:? к тому, что г^екякаость некоторых типов рассепгпя оказывается оч&кь г>со-:оГ. - более половим интенсивности падающей волны уходит в рассеянье волка. Последнее об-гтоятедьстЕО сг^'А^уес х кр&кдоос.-::«? кс-пользованию па-

раметрического усиления для создания генераторов и усилителей света, а также устройств, обращающих волновой фронт.

Селективное рассеяние наблюдалось нами практически в любой экспериментальной конфигурации, когда два когерентных пучка накачен произвольной поляризации взаимодействуют в кристалле Ь1НЬ03:Ре. 1а рис.1 представлены некоторые типичные картины селективного рассеяния в виде колец и столбиков на непрозрачном экране установлении позади кристалла, наблюдавшиеся в различных конфигурациях

двухиучкопоп СХ'.'МЫ накачки. Большинство типов селективного рассеяния. рассмотрит« в Гл.2-3, Сило вп"рвие обнаружено и объяснено в |ЦКЧ!»ГПП вшюлнония ЛПШ1')П ряпоти.

□

I I ф ♦

I I

РИС.1.

В диссертации впервые представлена заверенная классификация всех типов селективного рассеяния, характерного для попутных двух-пучковых схем накачки ФРК. При рассмотрении вопросов об эффективности рассеяния, наблюдаемого в ЫШЭ3:Ге, анализировались инкременты параметрического усиления для соответствующих процессов 4-х волнового смешения.

Целью настоящей работы было: 1) исследование светоиндуцированного рассеяния света с узкой угловой диаграммой направленности в различных двухпучковнх схемах

записи фазовых голографических решеток в ФР средих;

2) установление связей меаду характеристиками параметрического рассоиния и параметрами фоторефрактивных кристаллов;

3) изучение влияния селективного рассеяния на процессы самодифракции в схемах, где запись ФР решетки двумя пучками невозможна.

Данные задачи решались экспериментально с использованием кристаллов ЬШЮз^е и ВаТ103 в качестве объектов исследования.

Проведенные исследовшшя стимулировали создание общей теории параметрического селективного рассеяния в двухпучковых схемах, развитой доктором физико-математических наук Б.Н.Стурманом. Общий подход этой теории к вычисле!шю инкрементов усиления широко используется в данной работе для анализа конкретных схем рассеяния.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые:

1) Проведено систематическое исследование параметрического сво-тошщуцированного рассеяния в кристалле Ы1ЛЮэ:Ре в схемах с двумя пучками накачки; обнаружен цэлнй ряд новых типов селективного рас-ссеяния, проведена их полная классификация.

2) Проведено качественное, а там где это было возможно и количественное сравнение характеристик всех типов селективного рассеяния с результатами теории параметрического рассенния, основанной на модели 4-волновых взаимодействий пучков накачки и компонент светоиндуцированного шумового рассеяния.

3) Установлен и объяснен факт снятия частотного вырокдешш при стационарном параметрическом усилении поляризационно-изотропного рассеяния в ИИЬОэ: Ре, кристалле с локалышм типом отклика.

4) обнаружены и исследованы процессы двухступенчатого дифракционного связывания пучков накачга в случае, когда прямое взаимодействие двух таких пучков за счет одноступенчатой дифракции запрещено. Показано, что процессы двухступенчатой самодифракции являются следствием параметрических 4-х волновых взаимодействий с участием волн светоиндуцированного рассеяния.

Практическая ценность работы:

-установлено, что кристаллы ЫНЬОэ:Ре обладают большими коэффициентами параметрического усиления волн селективного рассеяния. Наличие значительных коэффициентов . усиления делает возможным использование ФРК для эффективного обращения волнового фронта и оптической генерации.

-предложена методика о», ре деления некоторых физических параметров' фоторефрактивных сред (например, времени диэлектрической ра-

лаксации и фотогальванических коэффициентов ) на основа анализа характеристик параметрического светошщуцированного рассеяния, наблюдаемого в этих средах.

На защиту выносятся следующие положения:

1) Многообразие форм селективного рассеяния двух когерентных не-колинеарных пучков света в фоторефрактивных средах в виде светоин-дуцировашшх колец и столбиков является результатом 4-х волновых параметрических взаимодействий рассеянною и прошедшего света. Возможность записи фоторефрактивных решеток ортогонально- поляризованными волнами, либо дифракции на решетках с поворотом поляризации приводит к появлению колец и столбиков рассеянного света, не проходящих через пучки накачки.

2) В фоторефрактивных средах с локальным типом отклика стационарное параметрическое усиление света в поляризационно-изотропшх столбиках рассеяния возможно только при снятии частотного вырождения. Оптимальный частотный сдвиг в рассеянном свете определяется обратным временем диэлектрической релаксации среды.

3) По характеристикам светошщуцированного селективного рассеяния можно получать информацию о физических параметрах фоторефрактивных кристаллов, например, определять величины фотогальванических констант а также время максвелловской релаксации среды.

4) Помимо традиционных одноступенчатых процессов самодифракции, в фоторефрактивных кристаллах возможно непрямое связывание волн двух пучков накачки за счет двухступенчатой дифракции с участием волн светошщуцированного параметрического рассеяния. Процессы двухступенчатого связывания могут стать доминирующими в схемах, где два пучка накачки с волновыми векторами ^ и Иг не в состоянии записать решетку с вектором -либо не могут дифрагировать на этой решетке.

По результатам исследований опубликованы 4 печатные работы 17,9-1 и списка цитируемой литературы.

Обьем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Всего 226 страниц, из них 61 рисунков и фотографий, библиографии состоит из 12В наименований.

С0ДЙШ1ИВ РАБОТЫ

Во »»ведении обосновывается актуальность темы работы, формулируются ее цель, научная новизна и практическая ценность* перечисляются ааишцаемыа положения, приводится аннотация содержания дассер-

тации по главам.

В первой главо рассмотрев возможные механизмы пространственно го перераспределения фотовоздувденных носителей заряда в ФРК, при водящче к фоторефрактнвной записи голографяческих решеток. Воздействие светового поля £ двух неколинеарннх пучков приводит к пространственному перераспределению фотоиндуцированного заряда в объеме кристалла. Периодическое поле пространственного заряда, всчадствие линейного электрооптичоского (ЭО) эффекта, изменяет показатель ггреломления среды. Для кристаллов МШз03, легировашшх ионами железа или меди, фоторефрэкция обусловлена возбуждением фотогальва-¡гического тока = ранизотрошше свойства которого описываются ФГ тензором:

0 0 0 0 Риз Риг

йлс = Ргп 0222 0 Рггз 0 0 (1)

Рзи Рзгг Рззз О 0 0

Фоторефракция в ВаТЮ3 имеет диффузионную природу (диффузия фотовозбужденных зарядов вследствие их неднородного фотовозбуждения).

Рассмотрено явление самодифракции в двухпучковых схемах записи голографических фазовых решеток, проанализирована стацонарная перекачка фаз и амплитуд взаимодействующих волн в средах с локальным и нелокальным типами отклика.

Рассмотрено стационарное параметрическое усиление сигнальной волны и появление фазово сопряженной волны -процессе встречного и попутного вариантов 4-х волновых взаимодействий.

Сделан обзор наиболее распространенных типов светоиндуциро-ванного широкоуглового и селективного рассеяний, известных на момент начала"работы над диссертацией.

Вторая глава посвящена в основном исследованию поляризационно-изотропного селективного рассеяния в схеме, когда два когерентных пучка накачки "необыкновенной" поляризации взаимодействуют под произвольным углом 26р в кристалле 1Л.КЪ0э:Ре 1Т1 - Картина рассеяния имеет вид кольца и двух столбиков проходящих через пучки накачки и соответствует верхнему левому фото на рис.1.

Кольца и столбики возникают в результате процессов 4-х волнового смешения двух различных типов с независимыми условиями Фазового синхронизма для волновых векторов взаимодействующих волн:

(2 А)

Йд+Кр^Лд+Ир (кольца),

Й Й -Й -Й

а к0 к6 кг

(линии),

(?в>

ч

I

Л-

О : /> \:

/V ' /

глн ш1Л'ч:сн «, () относится к волчам някачкн, а т и б полном сне-пч1м.лу1Ш[!:>мнного рассеяния. На |;ис.2 нредотэвлони диаграмм» впк-горои род^ток. которые могуг возникнуть в результате 4-х волной« процессов л л я колец (процессы А типа - диаграмма а) и для столбиков (процессы В тина - диаграмма Ь). Параметрическое взаимодействии здесь происходит за счет дивакцин каждого пучка накачки а (или Ц) на "чужих" решетках (а к р в случае колец или з в случао столОиков), записанных другим пучком накачки р (или а). Так, для рассеяния в столбики дифракция волны ■ на решетке с вектором но(юждзет воину о, взаимодействие которой с исходной накачкой а, в свою очередь, приводит к дозаписи решетки -Й.^ -И^. Аналогичные рассуждения справедливы и для дифракции нзкачкн р на решетке Йа, а также и при рассмотрении рассеяния в кольцо.

Предложенная модель V диаграммы

4 - к волновой) смешения успешно описывают все геометрические свойства селективно го рассеяния как в кольцо, так и в линии. Кольцо есть сечение ко- Рис.2.

нуса рассеянного света (конус Л типа) с осью вдоль вектора Йа1Йр и пучками накачки в качество его образующих, плоскостью экрана, установленного позади кристалла; две линии - это сечения той же плоскостью двух друшх конусов рассеянного света (конусы В типа), один из которых направлен вдоль, а второй против вектора 1^-Йр. Отклонение обеих линий от прямых объясняется тем, что проекциями конусов В типа на плоскость наблюдения являются гиперболы, кривизна которых увеличивается с увеличением угла схождения.

'■! к

\

\ / ъ

_ X - 1 '

/

/

/3

п.

о

с £

а)

Ь)

б

j.JiJ'-'.K'ilihilocib y..;iih;Hii/i, кинетика, а также i.iыии.н'Ч'""" I-"-пределение cejicK'i;ibiii>r<j рассеяния ь кольце и пчмлщмл м.■ уч omi, оОьясц.лш на оим* анализа ыцш-чний для параметра

Чес.'КОГО усИЛеШШ I' ДЛЯ А И В lí[/Olku':x¡b. ГеориЛ UnpifJ.- l'pUMei.hol'o рассеяния, развитая Ь.И.Сту|м ¡»си, базируется на решении системы уК0р-0'|.;ШШЧ yjJíitiiitíHUil ДЛЯ КГ МПЛеКСНЩ аЫПЛИТуД ЧеТНреХ ЬЗиИМОДеЙ стьушци í:oji»i, киюрц« стандартным образом виводячся из н.иииейио-го ьолноього ураьнення. При мим учитываются ьсо uoomoí-hu-j ькладц ы амплитуду каждой из параметрических волн 7 (или о.) за счит диф ракцни остальных ьолн u,(i,6 (или 7) на ьсвх рулетках, возникавши ь результспе того или иного 4-х волнового процесса. Подстановкой решения н виде А^ 3 ыр(У1) происходит переход от системы дифр) ренцналышх уравнений к линейной алгебраической систем«, из уело вия разрешимости которой и находится нираодше для инкрем-нпа усиления Гд (кольца) или Гь ишшш).

Рлечлташюе выражении /ít-t['b¡ для ее >«• процесса:

Í' J,.. - jw^ О? • <) <3>

- показатель ир^ л..мления, - злекчрооптический кооффици

ент, ■£- удельная фотопроводимость кристалла, X - длина волни накачки, чгвеличина, зависящая от положения точки на столбике),

успешно описывает акспирпмент. Использование (3) для аппроксимации ЗКСПерпМ';НКШ НО li: H<:j;i;hiK.'IVj СТаШЮНарНОГО распределения интенсив поста света вдоль пиляризацисшю-изотропных столбиков, позволило сделать оценку велнчшш фотогальванической констант = i2iu.3) ■ 1 и "а.'Ьт. Это значение близко к Р^з-З-Ю'^А/Вт. полученному Э.Кретцигом 1в] из прямых iiiMr,-(,.mía постоянной составляыцей фотогальванических токов дли з'юго же образца 1)

И ДЛЯ J'1'ой Же лл.ши ЬиЛНЫ (A-t-H/KM).

• >Д11ИМ ИЗ НОИ'ОЛие ЫГА1ШК МЛЛЫПЪЬ КЛфИИ является предположении V -к,м, что для сред с лекальным тин.-'М отклика (кристалл LlHi-O при ьзанмодсЯетвии ыуйн .^игнакоиой поляризации), стацио-нарн.яз параммрической усилили« волн, рассеиваимыл м вертикальные ло.'и.рпзанионн /-изоч}х.шшо лишш, а следовательно, и сушистьовашм »»•их линий, возможно дашь мри наличии ныцлшЛ часютной отстройки ú у рассеиваемых волн по отшиени») к накачке. При атом, оптимальное усиление СОиТВОТСТГ 'ч'1 ЧаСТи'ИШМ СДЫП'г.М рапнпм по величине обратному времеци mokCí. jJUIobckoíI р.:лыи;ашш i ^ . Н.ошчин час TOTHUX сдып-иВ уксперчМ': нтально подтверждается наблюдением ь

Ш№Оэ:Ре в поляризационно-изотропных столбиках рассеяшюго света кьазипериодических биений интенсивности. Биешя представляют собой результат интерференции параметрических волн на смещенной частоте с несмощеными волнами релеевского рассеяния. Как показали измерения, период биений зависит от интенсивности пучков накачки, и при, этом, хорошо коррелиру-

ет с величиной (см. рис.3), согласуясь с выводом теории Отй =1. Значения величин О получены из Фурье-анализа биений интенсивности рассеяния в ее—»ее линиях рассеяния, а зна-

о 08

а

— г

- О

У

V ►

■ /

о и о

10

Ч

0.4 О

-О и.1

мощность накачки (Ьтсм"г)

Рис.3.

чения ,сс11 из независимых экспериментов по кинетике стирания ФР ре шеток, загшсаных двумя пучками.

Для сред с нелокальным типом отклика (ВаТ10э с диффузиошшм механизмом фоторефракции), усиление параметрических волн в поляри-зационно-изотропных столбиках возможно и без снятия частотного вы-рождешш; биения в столбиках в ВаТЮ 3 в эксперименте не наблюдались. Обнаруженные нами в этом кристалле поляризационно изотрогаше вертикальные лшши рассеяшюго света имеют нообычний усеченный вид: они-стартуют из пучков накачки только вверх или вниз, в зависимости от ориентации оптической оси кристалла. Объясняется это тем, что для сред с доминирующим диффузионным типом нелинейности, взаимодействие двух волн одинаковой поляризации (в данном случае имеются б вида пари волн а-б и р-р сопровождается стационарным эн^ргоооменом вдоль или против направления оптической оси кристалла, в зависимости от знака фотовозбуждаошх носителей заряда. Т. о., воли волны, рассеиваемые в верхнюю часть столбика усиливаются, то рассеяние в нижней части должно"истощаться, и наоборот. В итоге, в Ьа1Ч03 наблюдаются два однонаправленных столбика [9].

сравнительный анализ данных эксперимента и теории но селективному поляризациошю-изотрошюму рассеянию в двухпучкоьых схемах иока.шьаит качественное н количественное их согласие.

Ь третьейи ме продолжено изучение селективного светоиндуциро-11.1111]. I о («к сч!.чми>1 в Ш<ЬО во всех экспериментально реализован-

шх нами двухпучкових схемах накачки. На основе модели 4 х вилно jux попутных взаимодействий прицетаьлена завершенная lumoi ификвцин íCbx возможных типов селективного расойяпия, как в колщн так и ь зтолбики, в зависимости от иншшируьищд их вариантов параметричес «ого смешения. основное внимание при этом било уделено рассмотри-шю случаев поляризационно-анизотропного рассеяния, возникашдего в ситуациях, когда поляризации волн рассеяния 7 пли ö отличаются от юляризации накачек а и (3 (10).

С учетом снятия вырождения по поляризации для всех четырех iOJüi a,ß,7,ö в векторных условиях (1А) и (1В) получаем, что всего возможно 3.-? варианта 4-х волновых взаимодействий, по 16 для колец i для столбиков в отдельности:

ое-»ре

oö—eo (4)

ое-»оо ое---» е&

Символы е и о соответствуют "необыкновенной" и "обыкновенной" собственным волнам кристалла. Первые два символа описывают состояния юляризации двух пучков накачки, а последние два - параметрических ¿оли рассеяния. Согласно такой классификации, селективное поляри— ¡ациогаго-изотропное рассеяние, рассмотренное в Гл.2, соответствует ]роцессам ее ~<ее л- и B-типа. В двухпучковых схемах накачки с сристаллами LliJbO^l'e нами были обнаружены кольца рассеяния, оии-:ываемые 12-ю и столбики рассеяния ошюиваемие 9-ю вариантами параметрических взаимодействий из перечня (4). Все процессы, соответствующие обнаруженным кольцам, подчеркнуты сплошной линией, а ¡ce процессы, соответствующие обнаруженным столбикам - пунктирной íiüiíieít (см. (4)).

В отличие от ноляризацпоино-изотропных колец и линий, прохо-i>;i¡;n\ через пучки накачки, кольца и линии по.шриэашклшо-ышзот->лш(;го рассеяния, как правило, через пучки накачки не проходят.

Модель, представляющая селективное рассеяние как результат кезличною рода -t х волновых взаимолействий, объясняет любую нео->ычпую геометрию такого поляризационпо-анизотрклпюго рассеяния для :а,здсч'о конкретного случая. Так, например, в схеме, когда два 'необыкновенных" пучка "акачки взаимодействуют в кристалле iINtjijj,:í'tí с оптической осью Ö, ориентировашюЯ перпендикулярно (лос'кости схож,иеиин (угол схожд»шш ¿9 •>&>*), наблюдаются цва по-

ее—> ее ее-» оо ее—»ео ее—»ое

ОО-'ОО

оа-'ее аа-'Ое оо—»ео

ео-»ео eo—toe ео-->ее ео-»оо

ляриаациошю-анизотротшх кольца, не проходящих через пучки и придотаилешх на фото рис.4а. Кольцо меньшего диамэтра соответствует 4-х ьолновому процессу оо—»ее, а кольцо большего диаметра -

а)

Ь) угол схождения 20р (град)

РИС.4.

Q (1.„ "

а)

По Пв

процессам оо-~»ое и оо—>ео. Здесь же на рис.4Ь, приведена экспериментальная зависимость (черные квадратные метки) угла раскрыва 9s

обоих кону- _

сов рас- с сеянного ^ * света от угла схождения 2вр. Построе- По Пв ние век-торшх диаграмм для оо—»ее

(рис.5а,b) ^« и оо-» ое: (рис.5с,d) процессов, даат

С)

Чр

ci,

г - а.

■ Л

(J)

Piic.5.

следующие соотношения между величинами 6S и

(оо-*ое), (оо—*ое),

а(пг0®е-з1пгвр-2пДп

(5А) (5В)

где n=(no+nu)/2, Дn=(no-ne).

ю

Прекрасное согласие между результатами эксперимента и расчет ними кривыми (5) (сплошная и пунктирная кривне на рис.4Ъ отвечают выражениям (БЛ) и (5В), соответственно) подтверждает правильность параметрической модели селективного рассеяния.

Полное согласие результатов измерений углов рассеяния о рас четными кривыми, полученными из анализа векторных диаграмм соответствующих 4-х волновых взаимодействий, имеется и для всех остальных обнаруженных колец и столбиков селективного рассеяния.

Выражения для инкрементов параметрического усиления для колец и линий, согласно теории Стурмана, имеют вид:

Г^0,5{УТГ * ♦ /(У77-Усз-П-Л)й ♦ 4УтаУб7 } (КОЛЬЦО) (6А)

Гв=-0.5[и77 + иб0 + /(и77-иоа-(тв)а + 4ит0иб7 | (линии) (6В)

где 1'Л в - подгоночные параметры для оптимизации амплитудных коэффициентов усиления Гд п=Де(ГА в>.

Комплексные матричные элементы У^ для колец в И^ для лттй зависят от конкретной экспериментальной конфигурации (интенсивность накачек, угол схождения 29р, поляризация пучков накачки, ориентация оптической оси кристалла, величины фотогальванических и злвктрооптических коэффициентов ФРК) и определяют коеффициент усиления Г, т.е., эффективность того или иного типа 4-х волновых взаимодействий. Для каждого варианта 4-х волновых взаимодействий для колец или вертикальных линий из перечня (4), был выполнен расчет выражений У^ или а также инкрементов Гд или Гв, соответстве-но. При этом, в соответствии с видом инкремента Г, можно выделить 3 основных случая: 1) коэффициент Г имеет ненулевую действительную составляющую, что означает наличие ненулевого параметрического усиления для соответсвующего. типа селективного рассеяния; 2) Г есть чисто мнимая величина и, соответственно, возможно только нестационарное усиление рассеяния; 3) величина Г равна нулю, т.е. нет экспоненциального усиления, но возможно появление кольца (или столбика) из-за линейного считывания шумовой решетки пучком накачки. Все три ситуации наблюдались в экспериментах.

В поляризационно-анизотропной записи ФР решеток в !|ШЮэ:Ге участвуют циркулярные фотогальванические токи, характеризуемые антисимметричной компонентой Р^д=1"1{р113) ФГтензора. Соответственно и величина инкремента Г для любого 4-х волнового процесса с участием волн разной поляризации также опредолеяется параметром

Аппроксимация стационарного распределения интенсивности вдоль столбика оо~*ее типа, с помощью выражения для Г:

Г- яггг.^р^угл* [2Э® + р]] (7)

(.11 п Pj - тригонометрические величины, зависящие от положения выбранной точки на столбике),

дает следующую оценку для величины pjS=(7,2iO,3)»1Cf ЧА/Вт.

Анализ селективного рассеяния дает нам своего рода метод нелинейной спектроскопии, когда на основе измерений характеристик рассеяния можне получить информацию о величинах целого ряда Физических параметров ФРК. Например, из анализа распределения интенсивности света'вдоль ее—«ее и oo-.ee столбиков получаем величины ФГ компонент рээз и р*Б соответственно, а измерение периода биений интенсивности света наблюдаемых для некоторых типов селективного рассеяния (ее-*ее столбики в LlNb03:Fe) позволяет сделать оценку времени максвелловской релаксации среды.

Четвертая глава содержит результаты, указпващие на способность интенсивного селективного светоиндуцировашюго рассеяния оказывать влияние на процессы самодифракции в ФГК. В частности, показано, что в конфигурациях, где два корентных пучка с волновыми векторами Йц и ftp но могут записать общую решетку с вектором =fta-ftp (соответствующие таким "запрещенным" конфигурациям фотогальванические и электрооптические коэффициенты равны нулю), возможна, тем не менее двухступенчатая дифракция 111]. Термин "двухступенчатая дифракция" означает, что связывание двух пучков происходит через некоторое промежуточное звено, в данном случаэ - через компоненты селективного светогащуимровашого рассеяния.

В "запрещенной" конфигурации при двух "необыкновенных" по поляризации пучках He-Cd лазера с \=440нм, падающих на кристалл LlNb03:Fe с осью С, перпендикулярной плоскости схождения (г332= гээ1~°» Pi33=p233=°)' эффективность самодифракции т) достигает 20%. Напомним, что согласно Гл.2, в такой двухпучковой схеме наблюдается очень сильное поляризационно-изотрогаюе селективное рассеяние в кольцо и два столбика типа ее—ее.

Поскольку в данной схеме модуляция показателя преломления Ап равна нулю только для решетки с вектором ориентированном в плоскости схождения, то оба пучка могут формировать ФГ решетки с каждой волной светоиндуцированного рассеяния, распространяющейся вне этой плоскости. Наиболее интенсивным здесь является селективное

рассеяние, поэтому наиболее сильные ФР решетки будут соответствовать взаимодействию именно этой части рассеяния с пучками накачки (решетки э и р для кольца или з.р.с! для линий, см. рис.2).

Рассмотрим для определенности самодифракцию с участием кольца. Если блокировать пучок р, то второй пучок а, дифрагируя, например, на решетке с вектором порождает волну у, которая, дифра-

гируя на решетке с вектором порождает волну, распростра-

няющуюся в направлении заблокированного пучка р. Получаем двухступенчатый процесс самодифракции, который может осуществляться также и через вертикальные лшши рассеяния.

Если учесть, что эффективность простой (одноступенчатой) дифракции т^(Дп)г-))г, то кинетика двухступенчатой дифракции в "запрещенных" кофитурациях, для малых времен экспозиции (<та1, должна выражаться функцией 4-й степени по времени: т}= =т)1т^~1г'1г=14. Для одноступенчатой дифракции

Результаты измерений кинетики развития самодифракции в ЬШЮ3:Ре говорят в пользу модели двухступенчатой дифракции. Так при оптимальной юстировке кристалла в "запрещенную" конфигурацию, когда угол С между осью б и нормалью к плоскости схождения равен нулю, наилучшая аппроксимация дифракционной эффективности по методу наименьших квадратов, соответствует именно четвертой (а не второй) степени по времени (см. рис.6а). По мере ухода кристала из

й 4

3

Р г 1

ь) а

-■ аппроксимация функцией Iя

.....экспериментальны« двшш«

а-45*

3 6 9

время экспозиции (с)

е-

- &олроссым»ция фуихцмсй I

• мм эдсп«риыеитагини« дыши к

а=0*

3 в »

время экспозиции (с)

Рис.6.

положения "запрещенной" конфигурации за счет увеличения угла С. аппроксимащтонная зависимость г) от I постепенно понижает свою степень с 4-й до 2-й. Для угла разъюстировки С=45*. кинетика т), согласно рис.бЬ, полностью описывается 2-й степенью по t, что отвечает дифракции на прямой решетке' ¡^Йд-Ир» которая уже ориетирована не вдоль оси х (или у), а имеет ненулевую проекцию и на ось г

Фэзз*0- гззэ*°>-

В Гл.4 модель двухступенчатой дифракции привлекается также

для анализа другой необычной характеристики самодифракции в "запрещенных" конфигурациях: очень резкого уменьшения величины дифракционной эффективности с ростом угла схождения.

Самодифракция в "запрещенной" конфигурации с похожими особенностями была наш обнаружена и в кристалле ВаТ10э.

При наличии ненулевого фотоиндуцированного рассеяния, двухступенчатая дифракция может присутствовать в любых конфигурациях. Однако, в "разрешенных" конфигурациях ее наблюдение на фоне более аффективной одноступенчатой дифракции затруднено. Только, в "запрещенных" конфигурациях, двухступенчатая самодифракция стано-. вится доминирующей и даже может оказаться достаточно эффективной при наличии сильного параметрического рассеяния.

В Заключении сформулированы основные результаты и выводы.

1) На примере ЫНЬ03:Ре проведено систематическое исследование селективного светоиндуцированного рассеяния, возникающего в ФРК в различных схемах с двумя пучками накачки. Обнаружены новые типы рассеяния с необычными геометрическими и поляризационными свойствами, а также динамикой развития. Проведена полная классификация всех типов селективного рассеяния в этих схемах. В ряде случаев прослежено влияние типа отклика (локальный в ЬШЮ3:Ре или нелокальный в ВаТ103) на характеристики рассеяния.

2) Установлено, что селективное светоиндуцированное рассеяние возникает в результате параметрических 4-х волновых взаимодействий двух различных типов. Волны, рассеиваемые в кольца, удовлетворяют условию синхронизма (1А), а волны, рассеиваемые в вертикальные линии - условию (1В).

3) В случае изотропных по поляризации 4-х волновых параметрических процессов, кольца и линии селективного светоиндуцированного рассеяния всегда проходят через пучки накачки. Поляризационно-анизотролные кольца и линии, как правило, не пересекают ни один из пучков накачки. Поляризационно-анизотропные картины селективного рассеяния есть результат полевой чувствительности как процессов записи, так и процессов считывания ФР решеток.

4) Выполнение условий фазового синхронизма (1А) или (1В) является необходимым, но на достаточным условием возникновения селективного рассеяния и ФРК. Эффективность рассеяния в то или иное кольцо или столбик зависит также и от соотношения фаз всех четырех волн участвующих ь нелинейном смешении.

. 5) Показано, что в средах с локальным типом отклика стационарное селективное рассеяние в поляризационно-изотропные линии возможно лишь при условии снятия частотного вырождения у компонент рассеиваемого света. Оптимальное усиление отвечает частотному сдвигу О равному обратному времени максвелловской релаксации : =1.

6) Изучение свойств и характеристик селективного рассеяния в ФРК позволяет предложить ряд методик измерения нелинейных и релаксационных констант кристалла (в частности, фотогальванических коэффи-. циентов р и константы фотопроводимости) этих кристаллов.

7) В ФРК возможна двухступенчатая самодифракция, когда связывание двух падагацих на кристалл пучков происходит не за счет дифракции на общей решетке, а в результате последовательной дифракции на паре фазовых решеток, записанных этими пучками с каадой волной сильного параметрического рассеяния в кольцо или столбик.

Личный вклад автора заключается в получении всех включенных в диссертационную работу экспериментальных результатов и равноправном обсуждении их с соавторами, расчете и анализе выражений для инкрементов параметрического усиления для всех процессов 4-х волновых взаимодействий Из перечня (4).

ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА.

1) Optically-induced refractive Index lnhomogeneltles In LlNb03 and LlTa03 / Ashkln A.,Boyd G.D.,Dzledzlc J.D. et al. // Appl.Phys.Lett.- 1966.-v.9,N1.-p.72-74.

2) Magnusson R.,Gaylord T. Laser scattering Induced holograms In LlNb03 // Appl.Opt.-1974.-v.13,N7.-p.1545-1548.

3) Хижняк A.M., Соловьев B.H. Попутное четырехволновое взаимодействие // Оптика и спектроскопия, 1982. -т.53.-с.723-727.

4) Попутное четырехпучковое взаимодействие в парах натрия / Кириленко Е.К., Лесник С.А., Марков В.Б.i Хижняк А.И. // УФЖ.-1987.-Т.32,N1.-С.36-39.

5) Кисилева И.Н., Обуховский В.В., Одулов С.Г. Параметрическое рассеяние голографического типа в кристаллах группы Зш // ФТТ.-

1986.-28,вып.10.-с.2975-2980.

6) Забродин К.Н., Пенин А.Н., Динамика параметрического рассеяния света голографического типа // Квант.электрон.-1991.-t.18.N5.-с.622-626.

7) Sturman В., Goulkov M.,0doulov S. Polarization degenerate parametric light scattering in photorefractive crystals //

Appl.Phys.- 1993.-N56,p.193-199.

8) Investigations of" the photovoltaic tensor In doped LlNb03 / Festl H.G.,Hertel P.,Kraet2lg E.,von Balz R. // Phys.Stat.Sol.B.-1982.-v.113.N1.-p.157-164.

9) A new light-Induced scattering process In photorefractive BaT103 / Goulkov M., Odoulov S., van Olfen U.. Kraetzlg E. // Phys.Stat.Sol.(b).-1992.-N172,p.37-40.

10) Goulkov И., Odoulov S., Sturman B. Polarlzatlon-anlsotroplc scattered lines In LlNb03 // Appl.Phys.В.-1993.-N56.-p.223-228.

11) Гульков М.Ю..Одулов С.Г. Самодифракция в анизотропных нелинейных средах в "запрещенных" по симметрии конфигурациях // УФЖ.-1991.- Т.36,N4.-С.501-504.

ГУЛЬКОВ МИХАИЛ ЮРЬЕВИЧ

СВЕТОИНДУЦИРОВАННОЕ СЕЛЕКТИВНОЕ РАССЕЯНИЕ СВЕТА В ФОТОРЕФРАКТИВНЫХ КРИСТАЛЛАХ В СХЕМАХ С ДВУМЯ ПУЧКАМИ НАКАЧКИ

Подписано в печать 28.09.93г. Формат бумаги 60-84/16. Бумага офсетная 72 гр/м2. Офсетная печать. Усл.-печ. листов 1,0. Уч.-изд. листов 0,81. Тираж 100. Зак.91. Бесплатно.

Институт физики АН У, ОНТИ.

252028 Киев-28, ГСП, проспект Науки, 46.