Векторные взаимодействия световых волн при фотоиндуцированном рассеянии света в кристаллах ниобата лития
Факторы, влияющие на фотоиндуцированное рассеяние света в кристаллах. Определение их фотопроводимости. Исследование анизотропии поглощения света. Генерация второй оптической гармоники в среде с пространственно-периодической квадратичной нелинейностью.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | автореферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 15.02.2018 |
| Размер файла | 1,5 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
На правах рукописи
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
доктора физико-математических наук
Векторные взаимодействия световых волн при фотоиндуцированном рассеянии света в кристаллах ниобата лития
01.04.05 - Оптика
Максименко Виталий Александрович
Хабаровск - 2010
Работа выполнена в ГОУ ВПО "Дальневосточный государственный университет путей сообщения".
Научный консультант:
заслуженный деятель науки РФ, доктор физико-математических наук, профессор Строганов Владимир Иванович.
Официальные оппоненты:
заслуженный деятель науки РФ, доктор физико-математических наук, профессор Маныкин Эдуард Анатольевич,
доктор физико-математических наук, профессор Витрик Олег Борисович,
доктор физико-математических наук, профессор Ванина Елена Александровна.
Ведущая организация: ФГОУ ВПО "Санкт-Петербургский государственный университет".
Защита состоится 9 июня 2010 года в 1400 часов на заседании объединенного диссертационного совета ДМ 218.003.01 при ГОУ ВПО "Дальневосточный государственный университет путей сообщения" по адресу: 680021, Хабаровск, ул. Серышева, 47, ауд. 204.
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Дальневосточного государственного университета путей сообщения.
Автореферат разослан "___" мая 2010 года.
Ученый секретарь диссертационного совета ДМ 218.003.01 Т.Н. Шабалина.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Взаимодействия световых волн в нелинейных средах интенсивно изучаются в течение последних десятилетий, и интерес к данной области исследований не ослабевает. Это связано с высокой научно-практической значимостью указанной тематики. Нелинейно-оптические эффекты служат основой для многочисленных методов исследования свойств конденсированных сред, их использование весьма перспективно в устройствах квантовой электроники, интегральной и волоконной оптики. Также надо отметить огромное многообразие различных видов нелинейных взаимодействий световых волн и вариантов их реализаций. Это обусловлено тем, что сами механизмы, обеспечивающие взаимодействия, весьма разнообразны, а вариантов осуществления того или иного взаимодействия, относящегося к какому-либо механизму нелинейности, как правило, очень много. Можно выделить наиболее обширные классы подобных эффектов: это многочастотные процессы (генерация гармоник, генерация суммарных и разностных частот, вынужденное комбинационное рассеяние и т.п.), и взаимодействия, ведущие к изменению волновых векторов по модулю или направлению, а также изменению поляризационного состояния волн, но без изменения частоты (т.е. вырожденные по частоте). Такого рода взаимодействия без изменения частоты могут быть обусловлены, например, тепловыми или фоторефрактивными эффектами (ФРЭ) [1-3]. Под фоторефракцией (фоторефрактивным эффектом) в рамках настоящей работы будет пониматься изменение показателя преломления вещества n, которое возникает из-за наведенного светом пространственного переноса заряда.
Исторически первыми были изучены скалярные взаимодействия, когда взаимодействующие волны сонаправлены и не различаются по состоянию поляризации. Довольно много ранних работ посвящено процессам векторного взаимодействия, для случаев, когда поляризации волн различны, а волновые вектора коллинеарны. Хотя имеются работы, в которых рассматриваются некоторые частные случаи, когда и поляризация, и направление волновых векторов различны [4-6], но общая картина не создана. Во многом это связано с тем, что при различии у взаимодействующих волн и поляризации, и направления сложно выделить эффекты, обусловленные только неколлинеарностью волновых векторов. Детальное изучение неколлинеарного взаимодействия волн с одинаковой поляризацией важно, поскольку оно позволяет выявить особенности нелинейно-оптических явлений, обусловленные непосредственно неколлинеарностью взаимодействующих волн в тех или иных экспериментальных условиях. При этом существует проблема выявления таких условий реализации неколлинеарных взаимодействий световых волн с одинаковой поляризацией, при которых отсутствовали бы взаимодействия другого типа, а также были бы сведены к минимуму иные мешающие факторы (например, влияние тепловых эффектов). Эта проблема не решена, в первую очередь из-за отсутствия модельного объекта.
Имеются основания предполагать, что данные неколлинеарные взаимодействия с одинаковой поляризацией могут эффективно осуществляться в чистом виде в слаболегированных фоторефрактивными примесями кристаллах ниобата лития LiNbO3 при облучении их светом с подходящей длиной волны. Однако это предположение требует проверки. Необходимо также определить те примеси, легирование которыми обеспечивало бы преимущество такого взаимодействия в кристаллах LiNbO3 по сравнению с другими типами. Отметим, что реализуемые в кристаллах ниобата лития схемы векторных взаимодействий световых волн весьма разнообразны, они проявляют чувствительность к поляризации, длине волны и интенсивности излучения накачки. Это обусловлено тем, что кристаллы ниобата лития обладают уникальным набором электрооптических, нелинейнооптических и фотоэлектрических свойств, причем их свойствами можно управлять в широком диапазоне путем легирования различными примесями [3-5]. Учет оптической анизотропии, дихроизма, обусловленного примесным поглощением кристаллов, анализ особенностей электрооптического и фотовольтаического эффектов важны для выявления необходимых условий существования требуемого типа взаимодействия в этих кристаллах.
Эффективная реализация векторного взаимодействия в анизотропных фоторефрактивных кристаллах при использовании классических схем, когда в среде пересекаются несколько (в большинстве случаев - два) световых пучков затрудняется необходимостью подбора углов фазового синхронизма для взаимодействующих волн. Осложняющим фактором здесь является то, что в реальных кристаллах всегда имеются случайные пространственные флуктуации оптических и фотоэлектрических параметров среды, в результате чего условия синхронизма будут варьироваться при переходе от одной точки кристалла к другой. Также затрудняется подбор углов синхронизма из-за того, что пространственное распределение оптически индуцированной (в результате ФРЭ) анизотропии показателя преломления имеет сложный характер [6]. Однако данная проблема может быть решена, если требуемое взаимодействие (случай неколлинеарных волновых векторов и одинаковых поляризаций) осуществлять в виде фотоиндуцированного рассеяния света (ФИРС). ФИРС является следствием фоторефрактивного эффекта, представляя собой рассеяние когерентного оптического излучения на фотоиндуцированных мелкомасштабных неоднородностях показателя преломления среды. В случае рассеяния обеспечивается широкий угловой диапазон волновых векторов взаимодействующих волн, за счет чего условия фазового синхронизма (условия усиления) реализуются автоматически для волн, пересекающихся под необходимыми углами. Таким образом, исследование пространственно-угловой структуры ФИРС является эффективным способом изучения новых типов векторных взаимодействий световых волн в фоторефрактивных кристаллах. Однако для правильной интерпретации результатов изучения ФИРС требуется модель, учитывающая характер взаимодействия, собственную и оптически наведенную анизотропию кристалла, а также пространственную неоднородность показателя преломления кристалла, в области, где происходит взаимодействие волн.
Исследования ФИРС, ведущиеся с 60-х годов двадцатого века (и особенно интенсивно с 80-х годов), изначально шли по двум направлениям: первое - нахождение условий подавления рассеяния и второе - использование экспериментальных данных исследования ФИРС для изучения свойств фоторефрактивных кристаллов. И если для многих практических приложений первая задача решена, то второе направление дает широкое поле деятельности [7]. Так, значительный интерес представляет разработка методов определения фотопроводимости среды посредством анализа закономерностей кинетики ФИРС. Другие методы нахождения фотопроводимости (по анализу кинетики дифракционной эффективности, записанной в фоторефрактивной среде голограммы, либо прямым измерением тока, протекающего через образец) требуют достаточно сложных измерительных схем и высокоточной настройки измерительной техники. Определение фотопроводимости по анализу ФИРС представляется хотя и менее точным, но намного более простым способом, который может применяться в экспрессном режиме при проведении комплексных исследований свойств фоторефрактивных сред.
Наряду с активным исследованием вырожденных по частоте векторных взаимодействий, осуществляемых на решетках показателя преломления в фоторефрактивных средах, в последние годы растет интерес к многочастотным процессам, реализуемым на решетках квадратичной нелинейности (например, в периодически поляризованных кристаллах ниобата лития) [8]. Это направление имеет весьма большое прикладное значение, поскольку структуры с пространственно-периодической модуляцией квадратичной нелинейности могут служить эффективными преобразователями частоты оптического излучения. С данным направлением смыкаются работы по пространственной модуляции квадратичной нелинейности и фотоиндуцированной генерации второй гармоники (ФГВГ) в силикатных стеклах [9]. Выполнение условий фазового синхронизма в данном случае имеет ряд малоизученных особенностей. Так, не вполне выяснена природа пространственных осцилляций интенсивности второй гармоники, генерируемой на решетке квадратичной нелинейности, хотя можно предположить, что она связана с волновой расстройкой между оптической второй гармоникой и волной нелинейной поляризации среды.
Надо отметить также, что фотоиндуцированная модуляция квадратичной нелинейности принципиально возможна и в сегнетоэлектрических кристаллах типа ниобата лития (за счет ФРЭ). Возможности эти изучены мало, поэтому исследование взаимодействия световых волн при наличии пространственно-периодической квадратичной нелинейности в различных светочувствительных средах представляется интересной и важной задачей.
Все изложенные выше соображения предопределили постановку задачи и выбор методов и объектов исследований в работе.
Цель работы - исследование новых реализаций векторного взаимодействия световых волн, связанных с расстройкой волновых векторов взаимодействующих волн, при фотоиндуцированном рассеянии света в кристаллах ниобата лития. Выявление особенностей генерации второй оптической гармоники в среде с пространственно-периодической квадратичной нелинейностью.
Основные задачи диссертационной работы заключаются в следующем:
1. Выявление особенностей формирования изображения оптически индуцированных дефектов в кристаллах ниобата лития, а также определение поляризационных характеристик излучения, прошедшего через область с оптическим повреждением.
2. Исследование анизотропии поглощения света в кристаллах ниобата лития с различными легирующими примесями и анализ влияния анизотропии поглощения на эффективность векторных взаимодействий световых волн различного типа в кристаллах ниобата лития.
3. Оценка влияния различных факторов (длины волны, интенсивности и поляризации падающего излучения, а также вида легирующей примеси) на процесс фотоиндуцированного рассеяния света в кристаллах ниобата лития.
4. Исследование процесса нестационарного энергообмена при векторном взаимодействии между рассеянным светом и накачкой в легированных кристаллах ниобата лития для различных интенсивностей пучка накачки.
5. Определение фотопроводимости легированных кристаллов ниобата лития путем анализа временных характеристик интенсивности фотоиндуцированного рассеяния.
6. Выбор модели фотогенерации свободных носителей заряда, согласующейся с экспериментально полученными люкс-амперными характеристиками и определение основного механизма транспортировки заряда в кристаллах ниобата лития, легированных родием.
7. Разработка методик построения и анализа индикатрис ФИРС, основанных на обработке цифрового фотоизображения программными средствами. Проведение анализа угловой зависимости коэффициента усиления ФИРС и оценка применимости существующих моделей ФИРС для описания фотоиндуцированного рассеяния света в кристаллах ниобата лития.
8. Выявление закономерностей формирования индикатрисы широкоуглового ФИРС в кристаллах ниобата лития.
9. Экспериментальное исследование особенностей пространственной структуры селективного по углу ФИРС в легированных кристаллах ниобата лития.
10. Разработка физико-математической модели четырехволнового взаимодействия световых волн необыкновенной поляризации (еее-е типа) для случая оптически анизотропной среды с пространственно неоднородным показателем преломления. Расчет пространственно-угловой структуры селективного по углу ФИРС еее-е типа в кристаллах ниобата лития.
11. Решение задачи о нахождении поля второй оптической гармоники, генерируемой в среде с записанной (2)-решеткой.
Методы исследования. Для решения поставленных в работе задач применялись экспериментальные и теоретические методы. В процессе постановки и проведения эксперимента использовались фотоэлектрический, спектрофотометрический и фотографический методы, а также метод визуального наблюдения. Обработка и интерпретация результатов осуществлялись с использованием статистических методов, цифровых методов анализа изображений. При расчете фазы и интенсивности второй гармоники на (2)-решетке применялся аналитический метод решения системы нелинейных дифференциальных уравнений с разделяющимися переменными.
Научная новизна работы:
1. Исследована анизотропия поглощения в легированных кристаллах LiNbO3. Установлено, что от рода легирующей примеси и от длины волны света зависит как величина, так и характер анизотропии поглощения.
2. Реализовано неколлинеарное взаимодействие световых волн с одинаковой (необыкновенной) поляризацией в кристаллах ниобата лития, легированных железом и родием. Данный тип взаимодействия получен в виде селективного по углу фотоиндуцированного рассеяния света необыкновенной поляризации (еее-е типа), которое ранее в литературе на описывалось.
3. Построена модель векторного четырехволнового взаимодействия еее-е типа в анизотропной среде с оптически наведенным, пространственно неоднородным изменением показателя преломления. В рамках модели описан экспериментально обнаруженный новый вид селективного ФИРС в легированных кристаллах ниобата лития.
4. Предложены цифровые методы анализа диффузных изображений, позволяющие упростить изучение пространственной структуры ФИРС. Построены индикатрисы ФИРС; выявлены закономерности угловой зависимости коэффициента преобразования ФИРС.
5. Экспериментально и теоретически исследованы индикатрисы селективного ФИРС еее-е типа в направлении прошедших и отраженных лучей в легированных кристаллах ниобата лития при различных углах падения пучка накачки.
6. Проведено экспериментальное изучение кинетики интенсивности ФИРС в кристаллах LiNbO3:Fe и LiNbO3:Rh при интенсивности пучка накачки, изменяющейся в диапазоне 1ч7 кВт/см 2 на длине волны 0,6328 мкм. Из анализа временных характеристик интенсивности ФИРС определен характер зависимости фотопроводимости кристаллов ниобата лития, легированных родием, от интенсивности излучения накачки.
7. Установлен характер пространственной зависимости амплитуды свободной и вынужденной волн на частоте второй гармоники (ВГ), возникающих на решетке квадратичной нелинейности. Амплитуда вынужденной гармоники осциллирует с изменением длины нелинейного взаимодействия L, амплитуда свободной гармоники линейно возрастает с увеличением L. Получена пространственная зависимость фазы результирующей волны второй гармоники, генерируемой на решетке квадратичной нелинейности.
Оригинальность и новизна результатов подтверждается публикациями в ведущих отечественных физических журналах.
Связь с государственными программами и НИР. Диссертационная работа автора связана с фундаментальными научно-исследовательскими темами ОАО "РЖД" "Анизотропное отражение и электрооптические свойства кристаллов" и "Фоторефрактивные свойства пироэлектрических кристаллов", выполняемыми на кафедре физики Дальневосточного государственного университета путей сообщения. Часть результатов получена при поддержке Инновационно-образовательной программы, выполняемой в ДВГУПС (2007-2008 гг.).
Практическая ценность работы. Результаты, полученные в диссертационной работе, могут быть использованы для разработки нелинейно-оптических элементов и создания на их основе новых оптических устройств обработки, передачи, записи и хранения информации. Предложен цифровой метод анализа диффузных изображений. Метод построения индикатрис ФИРС, предложенный в работе, может применяться для анализа угловых зависимостей интенсивности излучения при решении различных исследовательских и прикладных задач оптики. Предложено использовать метод анализа временных зависимостей интенсивности ФИРС для оценки величины фотопроводимости легированных кристаллов ниобата лития.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на следующих конференциях:
1. Международном симпозиуме (Первые, Вторые, Третьи Самсоновские Чтения) "Принципы и процессы создания неорганических материалов", Владивосток, Хабаровск, 1998, 2002, 2006.
2. IV Всероссийской научно-технической конференции "Методы и средства измерений физических величин". - Нижний Новгород, 1999.
3. III Международном студенческом конгрессе стран АТР, Владивосток, 1999.
4. "Оптика-99", "Оптика-2001", "Оптика-2003", "Оптика-2005", межд. конф. молодых ученых и специалистов, Санкт-Петербург, 1999, 2001, 2003, 2005.
5. Международном симпозиуме "Modern problems of laser physics", Новосибирск, Россия, 2000.
6. "ICONO-2001" (XVII Международная конференция по когерентной и нелинейной оптике, КИНО'01), Белоруссия, Минск, 2001.
7. X, XII, XIII Международной конференции "Laser Optics", Санкт-Петербург, 2000, 2006, 2008.
8. VII Всероссийской школе-семинаре "Люминесценция и сопутствующие явления". Иркутск, 2001.
9. VII Международной конференции "Кристаллы: рост, свойства, реальная структура, применение". Александров, 2004.
10. XI Международном симпозиуме "Atmospheric and Ocean Optics. Atmospheric physics", Томск, 2004.
11. II Азиатско-Тихоокеанском Конгрессе "Fundamental Problems of Optoelectronics and Microelectronics", Хабаровск, 2004.
12. Международном оптическом конгрессе "Оптика - XXI век" - Санкт-Петербург, 2004, 2008.
13. Научной сессии МИФИ-2007, МИФИ-2009, МИФИ-2010, Москва, 2007, 2009, 2010.
14. Международной конференции "Оптика кристаллов и наноструктур", Хабаровск, 2008.
15. VIII школе "Нелинейные волны", Н. Новгород, 2008.
16. XXVI Всероссийской школе по когерентной оптике и голографии, Иркутск, 2008.
Публикации и вклад автора. По теме диссертации автором опубликована 41 работа, в том числе 9 статей в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией для соискателей ученой степени доктора наук, 2 монографии, 4 статьи на английском языке в сборниках трудов SPIE. Основные результаты диссертации отражены в 32 статьях, список которых приведен в конце автореферата.
Автору принадлежит формулировка цели и постановка задач исследований, обоснование способов их осуществления, непосредственное выполнение значительной части экспериментов, основных аналитических расчетов, анализ и систематизация результатов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения, содержит 272 страниц машинописного текста, 92 рисунка, 4 таблицы и список литературы из 270 наименований, включая работы автора.
Основные защищаемые положения:
1. В кристаллах ниобата лития, легированных родием, реализуются условия, дающие преимущество для взаимодействия неколлиарных световых волн с одинаковой (необыкновенной) поляризацией на длине волны 0,6328 мкм по сравнению с другими типами взаимодействий.
2. Построена физико-математическая модель, описывающая особый тип векторного (неколлинеарного) четырехволнового взаимодействия световых волн одинаковой (необыкновенной) поляризации при наличии волновой расстройки. Данное взаимодействие реализовано в виде селективного по углу фотоиндуцированного рассеяния света еее-е типа (ранее не исследованного) на длине волны 0,6328 мкм в легированных кристаллах ниобата лития. В рамках построенной модели исследованы основные закономерности обнаруженного рассеяния.
3. Обнаружены ранее не изученные особенности спекл-полей в картинах широкоуглового фотоиндуцированного рассеяния на длине волны 0,6328 мкм, сопутствующего селективному ФИРС еее-е типа (и обусловленного тем же типом взаимодействия). Фактором, влияющим на характеристики (контрастность, общее количество спеклов) спекл-структуры в картине рассеяния, являются фотоиндуцированные пространственно-временные флуктуации диэлектрической проницаемости в освещаемой области кристалла.
4. Изучены особенности энергообмена между волной накачки и рассеянными волнами в процессе фотоиндуцированного рассеяния света еее-е типа на длине волны 0,6328 мкм в легированных кристаллах ниобата лития. Установлено, что основной механизм фоторефракции в кристаллах ниобата лития, легированных родием, имеет фотовольтаическую природу. Процессы фотовозбуждения свободных носителей заряда в кристаллах ниобата лития, легированных родием, описываются двухцентровой моделью переноса заряда.
5. Объяснена природа пространственных осцилляций интенсивности второй гармоники, генерируемой в среде с пространственно модулированной квадратичной нелинейностью при выполнении условий фазового квазисинхронизма.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснованы актуальность и практическая значимость работы, определена цель диссертации, кратко изложено содержание работы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.
Первая глава посвящена обзору литературы по экспериментальным и теоретическим исследованиям фоторефрактивного эффекта и сопутствующих явлений. Рассматриваются и сравниваются различные модели фотоиндуцированного рассеяния света в сегнетоэлектрических кристаллах, дается классификация видов рассеяния. Рассмотрены различные модели, закономерности и механизмы фотовольтаического и фоторефрактивного эффектов. Описаны особенности взаимодействия когерентного излучения с периодическими доменными структурами в сегнетоэлектриках. Приводятся данные по исследованию формирования решеток квадратичной нелинейности в центросимметричных средах и фотоиндуцированной генерации второй оптической гармоники в объемных средах и волноводах. Дан обзор литературы по актуальным проблемам, касающимся тематики последующих глав.
Во второй главе приведены экспериментальные результаты исследования особенностей фотовольтаического эффекта (ФВЭ) в кристаллах ниобата лития, а также оптически наведенных дефектов, возникающих в легированных кристаллах ниобата лития за счет ФВЭ.
Таблица 1
|
Поляризация тестирующего луча |
Угол анализатора |
|||
|
90о |
45о |
0о |
||
|
90о |
||||
|
45о |
||||
|
0о |
В параграфе 2.1. излагаются результаты исследования дефектов, возникающих в кристаллах ниобата лития под действием оптического излучения. Рассматриваются особенности светопропускания наведенных дефектов, анализируются поляризационные характеристики излучения, прошедшего через оптически поврежденную область.
Рассматриваются закономерности формирования изображения дефекта в зависимости от поляризации наводящего и сканирующего излучения, а также от ориентации оптической оси кристалла. Указывается на особенности светопропускания приграничной области дефекта. В таблице 1 показаны изображения дефекта, наведенного в кристалле LiNbO3:Fe в зависимости от поляризации тестирующего излучения и ориентации плоскости пропускания анализатора, расположенного после кристалла. Оптическая ось z кристалла направлена вертикально. Углы в таблице отсчитываются от оси z. При значении обоих углов, равном 45 , поляризатор и анализатор скрещены.
В параграфе 2.2. рассматриваются методики наблюдения коноскопических фигур нетрадиционного типа в одноосных кристаллах. Указанные фигуры представляют собой чередующиеся темные и светлые полосы, перпендикулярные оптической оси кристалла. Подобная форма фигур обусловлена особыми условиями наблюдения - в эксперименте используются широкие пучки с малой расходимостью. В параграфе обсуждаются возможности применения нетрадиционных коноскопических фигур для исследования оптических неоднородностей в кристаллах, в частности, для наблюдения оптически наведенных дефектов в фоторефрактивных кристаллах.
В параграфе 2.3. приводятся результаты численных расчетов спектров пропускания системы поляризатор-кристалл-анализатор. В данных расчетах рассматривается одноосный непоглощающий, оптически однородный кристалл в виде пластинки с оптической осью параллельной входной грани кристалла. При определенных положениях оптической оси кристалла относительно плоскостей пропускания поляризатора и анализатора можно получать сплошной либо линейчатый спектр для прошедшего излучения, либо их наложение. В параграфе делается вывод, что, изменяя ориентацию оптической оси кристалла относительно поляризатора и анализатора, можно управлять спектром излучения, прошедшего указанную систему.
Рис. 1. Спектры пропускания LiNbO3:Rh. Концентрация Rh - вес. 0,01%
В параграфе 2.4. приводятся результаты исследования поляризационной характеристики коэффициента поглощения кристаллов ниобата лития с различными легирующими примесями в видимой области спектра. Отмечается, что следует учитывать анизотропию коэффициента поглощения легированных кристаллов ниобата лития при проведении экспериментов по изучению характеристик фотовольтаического отклика. В данном параграфе приведены спектры пропускания кристаллов ниобата лития с различными легирующими примесями, а также рассчитанные по ним спектральные зависимости коэффициента поглощения кристаллов ниобата лития. Спектры пропускания снимались для световых волн обыкновенной и необыкновенной поляризации. На рис. 1 представлены полученные спектры пропускания для кристалла LiNbO3:Rh. Как видно из рисунка, коэффициент пропускания различается для света, необыкновенной поляризации (е-луч) и обыкновенной поляризации (о-луч). Таким образом, можно заключить, что в легированных кристаллах ниобата лития имеется анизотропия поглощения. Причем нами экспериментально установлено, что на длине волны He-Ne лазера 0,6328 мкм анизотропия поглощения в кристаллах LiNbO3:Fe и LiNbO3:Rh различается как по величине, так и по знаку.
В параграфе 2.5. приводятся данные исследований фотовольтаического отклика в легированных и нелегированных кристаллах ниобата лития. Получены зависимости фотонапряжения от времени для кристаллов ниобата лития легированных Fe (0,050,3 % вес.) и Ru (0,3 % вес.) с использованием некогерентного широкополосного излучения. В качестве источника излучения использовалась лампа накаливания. Пучок света направлялся перпендикулярно полярной оси кристалла. Напряжение снималось с серебряных электродов, напыленных на грани кристалла, перпендикулярные его полярной оси. Приведены спектральные характеристики ФВЭ. Зависимость фотонапряжения от времени с некогерентным источником света идентична зависимости для когерентного источника (лазера). Фотовольтаический эффект наиболее заметен при длинах волн, соответствующих линиям примесного поглощения, что соответствует литературным данным [1]. В параграфе рассматриваются особенности фотовольтаического эффекта в номинально чистых кристаллах ниобата лития. Приводятся временные характеристики фотонапряжения в зависимости от направления вектора Е по отношению к полярной оси кристалла Ps и предыстории образцов. Обсуждается вопрос о влиянии электрических полей на фотовольтаический эффект. Показано, что предварительно наведенные электрические поля изменяют зависимость напряжения от времени при последующем облучении кристалла. Первоначально происходит компенсация предварительно наведенного электрического поля, а затем плавный рост напряжения до насыщения.
В третьей главе приводятся результаты экспериментального исследования картин фотоиндуцированного рассеяния света в легированных и нелегированных кристаллах ниобата лития. Рассматриваются особенности ФИРС, возникающего при использовании коротковолновой накачки (излучение гелий-кадмиевого и аргонового лазеров), и ФИРС в случае накачки излучением гелий-неонового лазера. Анализируются и классифицируются наблюдаемые типы ФИРС.
В параграфе 3.1 приводятся результаты экспериментального исследования пространственной структуры и кинетики ФИРС при облучении кристаллов ниобата лития коротковолновым излучением гелий-кадмиевого и аргонового лазеров. Описываются наблюдаемые картины рассеяния. При различных условиях эксперимента наблюдались различные виды ФИРС. В частности, были изучены некоторые разновидности фотодисперсионного и бирефрактивного рассеяния света.
В чистых, а также в легированных железом кристаллах ниобата лития, наблюдалось селективное по углу фотоиндуцированное рассеяние света автоволнового типа. Кристаллы представляют собой пластинки z-среза. В качестве накачки применялось излучение гелий-кадмиевого лазера (длина волны 0,44 мкм, мощность 50 мВт). Автоволны в данном случае проявляются в виде конусов рассеяния (на экране - колец), число и угловой размер которых периодически изменяется. Данный вид рассеяния наблюдается как в направлении прошедших, так и в направлении отраженных лучей, при различной ориентации пучка накачки относительно оптической оси кристалла.
В параграфе 3.2 представлены данные исследования особенностей ФИРС в легированных кристаллах ниобата лития при использовании гелий-неонового лазера. Следует отметить, что длинноволновое излучение данных лазеров (длина волны 0, 6328 мкм) достаточно слабо поглощается в кристаллах, что уменьшает влияние на процесс ФИРС тепловых эффектов. В параграфе представлены результаты исследования фотоиндуцированного рассеяния в направлении прошедших лучей (прямого рассеяния) для кристаллов ниобата лития с добавками Fe (0,03 %; 0,05 % вес.), Rh (0,01 % вес.), Ru (0,05 % вес.), Cu (0,01 % вес.) Fe (0,3 % вес.) + Rh (0,01 % вес.), Fe (0,3 % вес.) + Cu (0,01 % вес.). Кристаллы представляют собой плоскопараллельные пластинки х-срезов толщиной 12 мм. Описана экспериментальная установка, применявшаяся для исследования ФИРС. В кристаллах LiNbO3:Fe+Rh, LiNbO3:Fe+Cu и LiNbO3:Ru рассеяние слабо выражено. В кристаллах LiNbO3:Fe и LiNbO3:Rh ФИРС наиболее сильно проявляется, когда накачка поляризована в плоскости, содержащей оптическую ось кристалла. В кристалле LiNbO3:Fe, рассеяние образует на экране световое пятно, имеющее хорошо различимую глазом спекл-структуру. Для кристалла LiNbO3:Rh, картина ФИРС представлена на рис. 2. Ближе к центральному пятну расположены области с ярким широкоугловым рассеянием. Характерной особенностью этого рассеяния является отсутствие спекл-структуры. Это может быть объяснено следующим образом.
Рис. 2. Картина прямого ФИРС в кристалле LiNbO3:Rh после 15 минут освещения
Рис. 3. Зависимость от времени t угла раскрытия Ф широкоуглового рассеяния в кристалле LiNbO3:Rh
Формируемые в области освещения кристалла электрические поля весьма велики (104105 В/см) и неоднородны. Это приводит к возникновению объемных и поверхностных микропробоев и скачкообразному изменению диэлектрической проницаемости среды [6]. В результате соотношения между фазами волн рассеянного света хаотически меняется, и это обуславливает уменьшение контрастности спекл-структуры. На рис. 3 приведена кинетика угла раскрытия Ф широкоуглового рассеяния в направлении прошедших лучей в кристалле LiNbO3:Rh.
Рис. 4. Время достижения широкоугловым рассеянием угла 5,4 градуса в зависимости от мощности лазерного излучения для LiNbO3:Rh
Была определена зависимость скорости раскрытия угла широкоуглового рассеяния от мощности излучения накачки. Мощность излучения лазера изменялась нейтральными калиброванными светофильтрами. В качестве характеристики скорости раскрытия выбрано время достижения индикатрисой однородного рассеяния угла 5,4 градуса (рис. 4).
Качественно эта зависимость объясняется тем, что с увеличением интенсивности излучения уменьшается время релаксации фотоиндуцированного, перенесенного и затем захваченного ловушками заряда. Время определяет скорость перекачки энергии при самодифракции лазерного пучка в фоторефрактивной среде [2]. В случае ФИРС определяет время, за которое рассеяние достигнет максимума. Следовательно, чем меньше , тем быстрее будет развиваться ФИРС. При достаточно малых интенсивностях накачки ФИРС не возникает даже при очень длительных экспозициях. Это свидетельствует о пороговом характере ФИРС. Вероятно, при малых интенсивностях шумовые голограммы, на которых происходит перекачка излучения в рассеянный свет, не успевают записаться. Тепловые флуктуации диэлектрической проницаемости разрушают записываемые в результате интерференции накачки и рассеянного излучения голограммы. И только при достаточно большой скорости записи этих голограмм (а соответственно большой интенсивности света) возможен режим самоусиления рассеянного излучения за счет перекачки энергии из пучка накачки.
В параграфе также приведены результаты исследования ФИРС в направлении отраженных лучей в кристаллах LiNbO3:Fe и LiNbO3:Rh.
В кристалле LiNbO3:Fe рассеяние в направлении отраженных лучей развивается синхронно с прямым рассеянием. Постепенно происходит плавное снижение яркости рассеянного излучения, как в прямом, так и в обратном направлении. Причем для обратного рассеяния на экране становится видна область в виде восьмерки (рис. 5а), в которой не происходит снижения яркости.
В кристалле LiNbO3:Rh рассеяние в направлении отраженных лучей является полностью селективным. На экране оно имеет вид системы дуг (рис. 5б). Вся картина обратного рассеяния растет синхронно с картиной прямого рассеяния.
а б
Рис. 5. Картина обратного рассеяния: а - в кристалле LiNbO3:Fe, б - в кристалле LiNbO3:Rh
Существование селективного рассеяния в кристаллах LiNbO3:Fe и LiNbO3:Rh связано с выполнением условий фазового синхронизма при векторных взаимодействиях между волнами рассеянного света и накачкой, осуществляемых на кубичной нелинейности электронного типа, характерной для легированных фоторефрактивных кристаллов [3].
В параграфе приведены результаты экспериментальных исследований влияния внутренних и внешних электрических полей на вид и кинетику ФИРС в кристаллах ниобата лития, легированных железом (степень легированности - 0,05 % весовых). Локальные внутренние поля наводились предварительным освещением кристалла.
Четвертая глава посвящена исследованию процессов нестационарного энергообмена между излучением накачки и рассеянным светом. Проведен анализ экспериментально полученных временных зависимостей интенсивности ФИРС в кристаллах LiNbO3:Fe и LiNbO3:Rh. По результатам анализа определен характер зависимости фотопроводимости кристаллов LiNbO3:Fe и LiNbO3:Rh от интенсивности падающего излучения.
В параграфе 4.1 приводятся результаты исследования процессов нестационарного энергообмена между излучением накачки и рассеянным светом в легированных кристаллах ниобата лития при одно- и двухпучковой накачке. В рамках двухпучковой модели взаимодействия волн накачки и рассеяния [2] объясняются закономерности кинетики интенсивности ФИРС и пучка накачки, прошедшего кристалл. Обнаружена перекачка энергии при двухпучковой накачке лазерным излучением (Р 1=9 мВт и Р 2=40 мВт, =0,6328 мкм) с различными мощностями. Отмечается, что перекачка энергии рассеянного излучения может происходить из маломощного луча в более мощный. Особенностью ФИРС при двухпучковой накачке является то, что картина рассеяния развивается быстрее и достигает наибольших размеров на начальном этапе от маломощного луча. Далее, с течением времени картина рассеянного излучения от маломощного луча, достигнув максимального размера, уменьшается, а от мощного постоянно увеличивается, и в определенный момент времени они сравниваются по размерам. В итоге сечение индикатрисы рассеянного излучения от маломощного луча представляет собой пятно с круговой симметрией, а для более мощного луча наблюдается пятно, вытянутое вдоль оптической оси кристалла.
В параграфе 4.2 приведены экспериментальные результаты по исследованию кинетики ФИРС в направлении прошедших лучей в кристаллах ниобата лития, легированных железом и родием при различных интенсивностях пучка накачки. Рассмотрена методика проведения эксперимента по изучению кинетики ФИРС в легированных кристаллах ниобата лития. Описывается экспериментальная установка, приводятся характеристики используемого оборудования. Исследуемые кристаллы представляют собой плоскопараллельные пластинки x-срезов толщиной 1ч2 мм, оптическая ось которых параллельна входным граням. Вектор поляризации накачки и рассеянного света во всех случаях эксперимента лежал в плоскости, содержащей оптическую ось кристалла и волновой вектор накачки. В эксперименте использовался гелий-неоновый лазер на длине волны 0,6328 мкм мощностью 60 мВт. Интенсивность излучения лазера изменялась нейтральными калиброванными светофильтрами. Для проведения исследований выбраны кристаллы LiNbO3:Fe (0,03 вес. %), LiNbO3:Fe (0,05 вес. %) и LiNbO3:Rh (0,01 вес. %). Выбор легирующих примесей обусловлен следующими соображениями. Фоторефрактивные свойства LiNbO3:Rh мало изучены, хотя имеются данные, что примесь родия значительно повышает фоточувствительность кристаллов [4]. Для LiNbO3:Fe разработаны модели, описывающие ФИРС, однако их применимость при выбранных нами условиях эксперимента требует проверки.
Рис. 6. Кинетика интенсивности рассеянного света для различных интенсивностей пучка накачки в кристалле LiNbO3:Rh (0,01 вес. %)
В параграфе приведены результаты исследования кинетики ФИРС в направлении прошедших кристалл лучей в диапазоне интенсивности излучения накачки = 0,8ч7,2 кВт/см 2 на длине волны 0,6328 мкм. На рис. 6 представлены графики экспериментально полученных зависимостей интенсивности рассеянного излучения от времени облучения для кристалла ниобата лития, легированного родием. По полученным экспериментальным данным были рассчитаны и построены зависимости максимальной интенсивности ФИРС, времени достижения максимального значения интенсивности ФИРС и коэффициента преобразования ФИРС от интенсивности пучка накачки соответственно: , и . Коэффициент преобразования ФИРС определяется как отношение мощности рассеянного излучения к мощности накачки. Установлено, что , не зависит от интенсивности излучения накачки во всем выбранном диапазоне интенсивностей (см. рис 7). Это позволяет пренебречь при дальнейших рассуждениях величиной темновой проводимости по сравнению с фотопроводимостью , что согласуется с литературными данными [3].
Рис. 7. Зависимость коэффициента преобразования ФИРС от интенсивности пучка накачки в кристалле LiNbO3:Rh (0,01 вес. %)
В параграфе 4.3 на основе анализа временных характеристик интенсивности ФИРС проводится оценка величины фотопроводимости кристаллов, а также определяется характер зависимости фотопроводимости от интенсивности накачки.
В двухпучковом приближении ФИРС можно представить как взаимодействие пучка накачки и рассеянного света на решетках шумовых фазовых голограмм, которые записываются за счет интерференции возбуждающей световой волны (донорный пучок) и волны, рассеянной на начальных неоднородностях, всегда присутствующих в кристалле (акцепторный пучок).
Временная зависимость интенсивности акцепторного пучка в случае его пренебрежимо малой начальной интенсивности описывается выражением [2]:
, (1)
где ф - время максвелловской релаксации, b - постоянная, определяющаяся интенсивностью накачки и набором характерных параметров среды (толщина нелинейного слоя, время релаксации заряда и др.).
Экспериментальные данные, представленные на рис. 6, а также аналогичные им, полученные для других исследуемых кристаллов, хорошо согласуются с зависимостью, заданной выражением (1), что свидетельствует о приемлемости приближения двухпучкового взаимодействия. Исходя из этого, была проведена оценка времени релаксации ф и фотопроводимости уph кристаллов при разных интенсивностях пучка накачки. На рис. 8 представлены зависимости фотопроводимости от интенсивности накачки. Полученные люкс-амперные характеристики для кристаллов LiNbO3:Fe и LiNbO3:Rh имеют сверхлинейный характер и наиболее хорошо описываются квадратичной зависимостью
Рис. 8. Люкс-амперные характеристики кристаллов: 1 - LiNbO3:Rh (0,01 вес. %), 2 - LiNbO3:Fe (0,05 вес. %), 3 - LiNbO3:Fe (0,03 вес. %)
, (2)
где и - коэффициенты, пропорциональные соотношению концентрации доноров и ловушек [3](для примеси железа это - [Fe2+]/ [Fe3+]). Наличие слагаемого, пропорционального квадрату интенсивности может быть объяснено существованием двух уровней захвата фотовозбужденных носителей заряда [3]. То есть, полученные люкс-амперные характеристики говорят в пользу двухцентровой модели переноса заряда в исследуемых кристаллах. Данный вывод подтверждает современные представления о процессах транспортировки заряда для кристаллов ниобата лития, легированных железом [3,4]. Поскольку люкс-амперные зависимости для LiNbO3:Rh имеют аналогичный вид, это указывает на то, что механизм переноса заряда в данном кристалле также описывается двухцентровой моделью.
В пятой главе рассматриваются методы цифровой обработки оптических изображений. С помощью разработанных методов строятся и анализируются угловые распределения интенсивности ФИРС в легированных кристаллах ниобата лития при различных условиях эксперимента.
В параграфе 5.1 предлагается экспресс-метод анализа диффузных изображений с использованием в качестве микрофотометра цифровой фотокамеры. Качество ПЗС матриц в настоящее время настолько высоко, что может сравниться с разрешением сканера. Использование цифровой фотокамеры позволяет избавиться от предварительного фотографирования на пленку оптического изображения; фотокамера позволяет использовать графическую информацию сразу в цифровом формате, что в десятки раз сокращает время получения и обработки изображения.
Для анализа полученной информации требуется создание специального программного сопровождения для персонального компьютера. Программа по анализу изображения предназначена для построения графика пространственной зависимости интенсивности излучения по любым выбранным направлениям оптического изображения. Изображение с экрана фиксируется цифровой камерой и затем переносится в компьютер. Для анализа фотографии ее необходимо представить в формате BMP. Файл в данном формате представляет собой битовую матрицу (файл с расширением.bmp), которая отображает цвет каждого пикселя в изображении. Загрузив данное изображение в программу, получаем двумерный массив, каждый элемент которого представляет собой цвет соответствующей точки изображения (пикселя). Обработав информацию с помощью стандартных алгоритмов, получаем интенсивность каждой точки изображения. рассеяние свет кристалл фотопроводимость
Для усреднения графика расчет интенсивности можно проводить не для одной точки изображения, а для окрестности данной точки, радиус которой (окрестности) указывается. Тогда на графике в качестве интенсивности возьмем среднее арифметическое значение интенсивностей всех точек области. Усреднение необходимо для получения плавной кривой зависимости, т.к. шумы ПЗС матрицы и спекл-структура лазера дают скачки интенсивности на получаемом графике.
Предлагаемая регистрирующая система и алгоритм обработки оптической информации позволяют значительно ускорить процесс измерения степени освещенности оптических изображений, построения и анализа графиков. Для получения результата требуется относительно немного времени по сравнению с традиционными фотометрическими методами и использованием сканера в качестве микрофотометра, при этом сохраняется высокая точность определения координат точек исследуемого изображения. Методика может быть успешно применена при анализе различных диффузных изображений, например, коноскопических фигур оптических кристаллов или картин рассеяния света.
В параграфе 5.2 излагается альтернативная методика цифровой обработки оптических изображений. Основное преимущество методики, описанной в предыдущем параграфе, заключается в быстроте обработки информации. Однако с ее помощью достаточно сложно получить двумерное распределение яркости изображения. Кроме того, в ней остается нерешенной проблема линейного отображения реального распределения яркости. С целью изучения угловой структуры фотоиндуцированного рассеяния света может быть предложен цифровой метод построения и анализа индикатрис ФИРС, отличающийся от приведенного в предыдущем параграфе. Этот модифицированный метод позволяет строить двумерные распределения яркости с реальным соотношением уровней яркости для различных точек изображения.
Особенностью цифровых камер является нелинейность отклика матрицы при регистрации изображений различной яркости. Это связано с наличием автоматической подстройки яркостных характеристик регистрируемого изображения с целью его оптимизации, а также с ограниченным динамическим диапазоном чувствительности матриц. Нами разработан метод, позволяющий получить реальные соотношения интенсивностей для различных направлений в индикатрисе ФИРС при помощи анализа цифровых фотографий.
Обработка фотографий и построение индикатрис осуществлялись с помощью персонального компьютера в стандартном математическом пакете, обеспечивающем возможности для работы с графикой. Получаемая цифровая фотография представлялась в виде информационного двумерного массива, в котором каждый элемент соответствует пикселю изображения. Индексами отдельного элемента массива являются координаты x и y соответствующего пикселя на фотографии, значением отдельного элемента массива является интенсивность I данного пикселя.
Подобные документы
Физический механизм рассеяния отдельной частицей. Взаимное усиление или подавление рассеянных волн. Многократное рассеивание света. Полная интенсивность рассеяния скоплением частиц. Поляризация света при рассеянии. Применение поляризованного света.
курсовая работа [283,2 K], добавлен 05.06.2015Волновая теория света и принцип Гюйгенса. Явление интерференции света как пространственного перераспределения энергии света при наложении световых волн. Когерентность и монохроматичных световых потоков. Волновые свойства света и понятие цуга волн.
презентация [9,4 M], добавлен 25.07.2015Рассмотрение шкалы электромагнитных волн. Закон прямолинейного распространения света, независимости световых пучков, отражения и преломления света. Понятие и свойства линзы, определение оптической силы. Особенности построения изображения в линзах.
презентация [1,2 M], добавлен 28.07.2015Преобразование света при его падении на границу двух сред: отражение (рассеяние), пропускание (преломление), поглощение. Факторы изменения скорости света в веществах. Проявления поляризации и интерференции света. Интенсивность отраженного света.
презентация [759,5 K], добавлен 26.10.2013Электромагнитная природа света. Понятие поперечности световых волн. Поляризация света, практическое использование полученных знаний при работе с сахариметром. Теоретическая основа использования поляризованного света при микроскопических исследованиях.
методичка [168,1 K], добавлен 30.04.2014Определение оптики. Квантовые свойства света и связанные с ними дифракционные явления. Законы распространения световой энергии. Классические законы излучения, распространения и взаимодействия световых волн с веществом. Явления преломления и поглощения.
презентация [1,3 M], добавлен 02.10.2014Спектральные измерения интенсивности света. Исследование рассеяния света в магнитных коллоидах феррита кобальта и магнетита в керосине. Кривые уменьшения интенсивности рассеянного света со временем после выключения электрического и магнитного полей.
статья [464,5 K], добавлен 19.03.2007Понятие комбинационного рассеяния света. Переменное поле световой волны. Квантовые переходы при комбинационном рассеянии света. Возникновение дополнительных линий в спектре рассеяния. Устройство рамановского микроскопа, основные сферы ее применения.
реферат [982,7 K], добавлен 08.01.2014Исследование распределения интенсивности света на экране с целью получения информации о свойствах световой волны - задача изучения дифракции света. Принцип Гюйгенса-Френеля. Метод зон Френеля, увеличение интенсивности света с помощью зонной пластинки.
презентация [146,9 K], добавлен 18.04.2013Особенности дифракции света звуковой волной. Акустооптические взаимодействия с точки зрения корпускулярной теории. Диаграммы волновых векторов при многократном рассеянии. Акустооптическое взаимодействие, его использование в различных модуляторах света.
доклад [405,6 K], добавлен 12.05.2014
