Оптические свойства кристаллов парателлурита вблизи края фундаментального поглощения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Тверской государственный университет

Тверской государственный технический университет

Национальный исследовательский университет «МИСиС»

ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КРИСТАЛЛОВ ПАРАТЕЛЛУРИТА ВБЛИЗИ КРАЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНОГО ПОГЛОЩЕНИЯ

А.И. Колесников, И.А. Каплунов, С.Е. Ильяшенко,

В.Я. Молчанов, Р.М. Гречишкин,

М.А. Архипова, С.А. Третьяков

В монокристаллах парателлурита измерены показатели преломления, коэффициенты пропускания света, удельное оптическое вращение и константы Верде для длины волны излучения 355 нм. Полученные значения всех четырех величин оказались выше, чем опубликованные ранее. Это открывает новые перспективы применения парателлурита в качестве светозвукопроводов акустооптических дефлекторов, акустооптических фильтров для мультиспектрального анализа изображений, даваемых микроскопами и телескопами, а также в качестве материала для двупреломляющих призм и магнитооптических модуляторов, работающих в УФ-диапазоне. парателлурит монокристалл преломление оптический

Уникальные акустооптические, нелинейные и пьезоэлектрические свойства кристаллов парателлурита (-TeO₂) делают этот материал чрезвычайно перспективным для применения во многих областях науки и техники. До настоящего времени использование парателлурита в устройствах, связанных с его оптическими свойствами, ограничивалось собственным поглощением на длине волны 0,35 мкм, соответствующей ближнему УФ диапазону [1]. Считалось, что даже для длины волны 0,36 мкм кристаллы практически непрозрачны. Сравнительно недавно появились сообщения о том, что низкое пропускание света на этих длинах волн связано не столько с поглощением, сколько с резким возрастанием коэффициента отражения, обусловленным, в свою очередь, резким увеличением показателя преломления [2]. Оказалось также, что в диапазоне 0,35-0,36 мкм, помимо показателей преломления, очень резко увеличивается и удельное оптическое вращение - до значений более 700 град/мм [2], что больше, чем предсказывалось аппроксимационными зависимостями, полученными в видимом диапазоне [2-5]. В указанный диапазон попадает длина волны современных лазеров, находящихся в промышленном производстве, а именно, 0,355 мкм - третья гармоника излучения лазеров на генерационных средах, в состав которых входят ионы Nd³⁺ ( = 1,06 мкм) [6]. Поэтому оптические свойства парателлурита для этой длины волны представляют особый интерес.

В настоящей работе показатели преломления обыкновенного и необыкновенного лучей измерены с помощью оптической схемы, в которую входили лазер на ИАГ:Nd³⁺ с удвоением частоты (=355 нм), цифровая камера, измеритель лазерной мощности (Laser Power Meter) и крупный прозрачный прямоугольный образец с размерами 604540 мм вдоль осей [001], [110] и соответственно, вырезанный из монокристалла парателлурита и отполированный по всем граням. Поскольку лазер частично излучает и вторую гармонику с длиной волны 533 нм, на выходной грани для каждого из лучей - обыкновенного и необыкновенного - фиксировались два луча - фиолетовый (флуоресценция от УФ излучения) и зеленый. По расстоянию между центрами соответствующих пятен на грани, по углу падения и по толщине кристалла рассчитывались значения N_o и N_e. Они оказались равными: N_o = 2,688; N_e = 2,891, что несколько выше, чем измеренные в работе [7]: N_o = 2,568 и N_e = 2,778. Это означает, что эффективность акустооптических устройств на основе парателлурита, работающих на длине волны 355 нм должна быть на 31-32% выше, чем это следовало из прежних данных, поскольку коэффициент оптического качества материала М₂ пропорционален шестой степени показателя преломления.

Далее в работах методом направленного пропускания [8; 9] были измерены коэффициенты пропускания света Т отполированными кубиками со стороной 1 см, изготовленными из кристаллов парателлурита. Соответствующие значения Т для длины волны 355 нм в направлениях [001] и [110] оказались равными 0,66 и 0,62. Это на 5-8% больше, чем считалось ранее [4], что расширяет возможности применения парателлурита в дефлекторах, а также в акустооптических устройствах мультиспектральной спектроскопии в очень важной для медицинской диагностики, биологических исследований и астрофизики части УФ диапазона. Другое возможное применение парателлурита - изготовление поляризационных и двулучепреломляющих призм для света этого диапазона.

Точные сведения о гиротропии материала необходимы для проектирования светозвукопроводов и расчёта частотных характеристик акустооптических устройств, поскольку дифракция света на ультразвуковых волнах зависит от состояния поляризации проходящего света [10; 11].

Следует подчеркнуть, что неточные значения удельного вращения приводят к неправильному определению константы псевдотензора гирации, используемой при расчётах акустооптического взаимодействия [11]. Данные об удельном вращении экспериментально получены для ограниченного набора длин волн. Поэтому соответствующие кривые (л), построенные путём аппроксимаций [3], могут давать неточные значения G₃₃, особенно для участков спектрального диапазона, в которых измерения не производились. С этой проблемой столкнулись авторы работы [11] при попытках расчёта параметров акустооптического дефлектора УФ-диапазона на основе TeO₂, предназначенного для работы на длине волны л=0,355 мкм - третьей гармонике излучения лазера YAG:Nd³⁺.

Анализ работ, связанных с гиротропией парателлурита, показывает, что данные об удельных вращениях (л) получены с помощью измерений интенсивности света, прошедшего поляризатор, исследуемый образец и анализатор [2; 3; 12]. Искомое вращение плоскости поляризации, связанное с гиротропией материала, компенсировалось поворотом анализатора, необходимым для восстановления исходного значения интенсивности. В итоговую погрешность входили погрешности, связанные с измерениями интенсивностей и углов. Кроме того, из-за очень больших значений (л), особенно в области спектра, близкой к краю фундаментального поглощения 0,35-0,5 мкм, образцы должны были иметь весьма малую толщину - менее 1 мм. В противном случае поворот плоскости поляризации мог быть многократным. Эти трудности отмечались в работе [3], в которой при измерении циркулярного дихроизма помимо полос кругового дихроизма записывались осцилляции вида sin(2l), где l - толщина образца, которые приходилось устранять специальным методом. Это приводило к дополнительным погрешностям, обусловленным погрешностями измерения толщины образца и ошибками при его ориентации.

В настоящей работе измерения оптического вращения производились в прямоугольном параллелепипеде из монокристалла парателлурита, имеющем размеры 41,020,120,0 мм вдоль направлений [001], [110] и соответственно. Все грани образца были отполированы. Эти измерения сначала были осуществлены для длин волн лазерного излучения 633 нм, 533 нм и 488 нм согласно методике, описанной в [13].

На рис. 1 показаны картины рассеяния лазерных лучей в парателлурите, по которым указанным методом определены значения удельного вращения.

Рис. 1 Проявление гиротропии и ее дисперсии при рассеянии лазерных лучей с различными длинами волн, распространяющихся в монокристалле парателлурита толщиной 41,0 мм вдоль оптической оси [001]: верхний (красный) луч, =633 нм, средний (зеленый) луч, =533 нм, нижний (синий) луч, =488 нм

Рассчитанные значения удельного вращения с(л) оказались равными: (633 нм) = 84,70,3 град/мм; (533 нм) = 146,00,3 град/мм; (488 нм) = 186,30,3 град/мм. В работе [14] приведены значения (л) для других длин волн: (1,0000 мкм) = 30 град/мм; (0,6328 мкм) = 87 град/мм; (0,5300 мкм) = 143 град/мм; (0,4382 мкм) = 271 град/мм; (0,3698 мкм) = 578 град/мм. По этим данным проведена аппроксимация, при этом наилучшие коэффициенты корреляции дала функция

, (1)

где величина л измеряется в ангстремах, а () - в град/мм. Соответствующие коэффициенты имели значения: a = -0,00283, b = 4,0610-¹¹. В таблице приведены сравнительные значения удельного вращения, найденные экспериментально в настоящей работе и в статье [14].

В таблице приведены сравнительные значения удельного вращения, найденные экспериментально в настоящей работе и в статье [14].

Таблица

Значения удельного оптического вращения () в кристаллах парателлурита

Как следует из таблицы, при больших длинах волн известные значения [14] удельного оптического вращения больше, а при малых - меньше, чем найденные в настоящей работе. На рис. 2 показаны зависимости , построенные с помощью аппроксимации значений, полученных в [14] и в настоящей работе. Для последней наилучшая аппроксимация даётся формулой

, (2)

где a = -0,00310, b = 4,1710-¹¹.

Рис. 2 Зависимости (), построенные согласно данным работы [14] и настоящей работы

Согласно обеим зависимостям удельное вращение для длины волны 355 нм не должно было превышать 700-710 град/мм. Однако прямые измерения поворота плоскости поляризации УФ луча в образце, представленном на рис. 1 после сошлифовки его на 40 мкм и переполировки дали иное значение, а именно 783 град/мм. Таким образом, величина G₃₃ псевдотензора гирации в парателлурите для указанной длины волны также оказывается большей, чем это предполагалось ранее.

Далее в настоящей работе было измерено фарадеевское вращение в парателлурите для длины волны 355 нм. Фарадеевский эффект заключается во вращении плоскости поляризации луча, распространяющегося соосно с вектором напряженности Н наложенного на кристалл постоянного магнитного поля. При этом поворот на угол плоскости поляризации связан с длиной кристалла l в направлении поля соотношением [13]

, (3)

где V - константа Верде. В работе [5] были получены значения V для двух длин волн излучения: V( = 533 нм) = 6,1110-⁵ радА-¹; V( = 633 нм) = 3,7810-⁵ радА-¹. В настоящей работе константа Верде была измерена для излучения лазера ультрафиолетового диапазона с длиной волны = 355 нм. Для измерения фарадеевского вращения из монокристалла парателлурита был изготовлен и отполирован по граням (001) кубический образец с размерами 111 см³ вдоль осей [001], [110] и []. Исследуемый кубик размещался между поляризатором и анализатором так, чтобы лазерный луч был перпендикулярен входной грани (001) и проходил через ее центр. За анализатором находился фотоприемник (Laser Power Meter), сигнал с которого усиливался и поступал на измерительную схему. Для создания магнитного поля применялся кольцевой постоянный магнит на основе Nd-Fe-B с внутренним диаметром 2,0 см. Напряженность магнитного поля на оси магнита составляла 1,4310⁵ Ам-¹. Магнит мог перемещаться вдоль оптической схемы и коаксиально надвигаться на кристалл. Сначала при отодвинутом магните лазерный луч гасился анализатором до минимума. Затем на кристалл надвигался магнит. Поворот плоскости поляризации регистрировался по возрастанию фототока. Далее вышедший из кристалла луч вновь гасился до минимума поворотом анализатора, снабженного отсчетным устройством, позволяющим фиксировать углы с точностью 0,5. Угол поворота плоскости поляризации оказался равным 14^о400,5. Это дает согласно (3) значение константы Верде для длины волны = 355 нм V = 1,710-⁴ радА-¹. Дисперсия эффекта Фарадея приближенно описывается формулой [13]

. (4)

В работе [15] значения констант дисперсии были рассчитаны (А = 3,3710-¹⁴ м²радА-¹; В = 2,0610-³⁰ м⁴радА-¹). Согласно этим значениям, угол поворота плоскости поляризации в условиях поставленного в настоящей работе опыта должен быть не более 12^о. Таким образом, парателлурит обнаруживает вблизи края фундаментального поглощения резкое усиление и магнитооптических свойств. Высокое значение константы Верде в принципе может быть использовано для создания модуляторов лазерного излучения с длиной волны 355 нм изготовляемых из кристаллов парателлурита и основанных не на акустооптическом взаимодействии, а на эффекте Фарадея.

Работа выполнена в рамках реализации ФЦП "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009-2013 годы.

Список литературы

1. Колесников А.И., Гречишкин Р.М., Молчанов В.Я., Смирнов Ю.М., Сошин С.С. Удельное магнитное вращение в монокристаллах парателлурита // Физика кристаллизации. Тверь: ТвГУ, 1999. С. 69-71.

2. Mc. Carthy K.A., Goutzoulis A.P., Gottlieb M., Singh N.B. Optical rotatory power in crystals of the mercurous halids and tellurium dioxide // Optics Communications. 1987. V. 47. P. 157-159.

3. Кизель В.А., Бурцев В.И. Гиротропия кристаллов. М.: Наука, 1980. С. 304.

4. Блистанов А.А., Бондаренко В.С., Переломова Н.В. и др. Акустические кристаллы. Справочник. М. 1982. С. 252.

5. Kaminsky W., Hartmann E. Anisotropy of optical activity and Faraday effect in TeO₂ // Z.Phys. B. 1993. V. 90. P. 47-50.

6. Молчанов В.Я., Макаров О.Ю., Колесников А.И., Смирнов Ю.М. Перспективы применения монокристаллов TeO₂ в акустооптических дефлекторах УФ диапазона // Вестник ТвГУ. Серия: Физика. 2004. Выпуск 6. №4(6). С. 88-93.

7. Takizawa K., Okada M., Ieiri S. Refractiv indeces of paratellutite and lithium iodate in the visible and ultraviolet regions //Optics communications. 1977. V.23. No2. P.279-281.

8. Каплунов И,А., Колесников А.И., Талызин И.В., Седова Л.В., Шайович С.Л. Измерение коэффициентов ослабления света монокристаллами германия и парателлурита //Оптический журнал. 2005. Т. 72, №7. С. 85-89.

9. Колесников А.И., Каплунов И.А., Терентьев И.А., Шайович С.Л. //Тез. докл. X Нац. конф. по росту кристаллов. М.: ИК РАН, 2002. С.188.

10. Magdich L.N., Molchanov V.Ya. Acoustooptic Devices and Their Applications. New York: Gordon and Breach Science Pub. 1989.

11. Молчанов В.Я., Макаров О.Ю., Колесников А.И., Смирнов Ю.М. Перспективы применения кристаллов TeO₂ в акустооптических дефлекторах УФ диапазона //Вестник ТвГУ. Серия «Физика». 2004. №4(6). C. 88-93.

12. Uchida N. Optical Properties of Single-Crystal Paratellurite (TeO₂) // Phys. Rev. B. 1971. V. 4, №10. P.3736-3745.

13. Воронцова В.Ю., Гречишкин Р.М., Каплунов И.А., Колесников А.И., Молчанов В.Я., Талызин И.В., Третьяков С.А. Проявление гиротропии при рассеянии света в кристаллах парателлурита // Оптика и спектроскопия. 2008. Т. 104, № 5. С. 822-825.

14. Ярив А., Юх П. Оптические волны в кристаллах. М.: Мир,1987.

15. Колесников А.И., Гречишкин Р.М., Молчанов В.Я., Смирнов Ю.М., Сошин С.С. Удельное магнитное вращение в монокристаллах парателлурита // Физика кристаллизации. Тверь: ТвГУ, 1999. С. 69-71.

Размещено на Allbest.ru