![]() |
|
|
Трех- и четырехволнове рассеяние света на поляритомах и кристаллах ниобата лития с примесямиТрех- и четырехволнове рассеяние света на поляритомах и кристаллах ниобата лития с примесямиМОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М.В.ЛОМОНОСОВА ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ ТРЕХ- И ЧЕТЫРЕХВОЛНОВОЕ РАССЕЯНИЕ СВЕТА НА ПОЛЯРИТОНАХ В КРИСТАЛЛАХ НИОБАТА ЛИТИЯ С ПРИМЕСЯМИ. реферат выпускника физического факультета Лосевского П.С. Научный руководитель кандидат физ.-мат. наук, ст. н. с. Китаева Г. Х. МОСКВА - 1997 Содержание. Введение. Задачей данной работы является исследование рассеяния света на равновесных и возбуждаемых поляритонных состояниях в кристаллах. К таким типам рассеяния относятся спонтанное параметрическое рассеяние (СПР) и некоторые разновидности четырехфотонного рассеяния. Конечной целью является разработка методики определения оптических характеристик кристаллов с различной структурой методом активной спектроскопии. Образцами для исследования служат кристаллы ниобата лития. В свою очередь, среди них выделяются три группы: пространственно-однородные кристаллы, но с различным содержанием примеси (используются кристаллы с примесью магния и неодима), пространственно-неоднородные монодоменные среды и пространственно- неоднородные полидоменные среды с регулярными слоями роста, которые могут использоваться для квазисинхронного преобразования лазерного излучения. Для изучения этих трех групп кристаллов используется спонтанное
параметрическое рассеяние (СПР) и рассеяние света на поляритонах (РСП) [1]. Также рассматриваются два процесса активной спектроскопии: прямые четырехфотонные процессы и каскадные трехфотонные процессы, связанные с нелинейными восприимчивостями ((3) и ((2) соответственно. Первые работы в данной области были начаты еще в конце 60-х годов [2]. Эта часть исследования представляет наибольший интерес, так как спектроскопия неравновесных состояний способна дать значительно больше информации в отличие от других методов, которые имеют гораздо меньшую величину полезного сигнала на выходе из исследуемого объекта. Исследованы особенности четырехволновых процессов рассеяния света на поляритонах для создания оптимальной спектроскопической схемы, позволяющей проводить измерения дисперсии поляритонов. Далее результаты четырехволновой методики сравниваются с дисперсией поляритонных состояний, полученной по спектрам трехволнового рассеяния света на поляритонах. Глава 1. Рассеяние света на равновесных поляритонах. (1 Рассеяние света в однородных кристаллах. Параметрическое рассеяние света представляет собой процесс спонтанного распада фотонов накачки ((L, kL) в кристалле с отличной от нуля квадратичной восприимчивостью на сигнальный ((S, kS) и холостой фотоны ((P, kP), либо фотон и поляритон. Волновые векторы и частоты при стоксовом рассеянии удовлетворяют следующим условиям : [pic], (1)
которые являются законами сохранения импульса и энергии. Частоты
собственных механических колебаний кристаллической решётки имеют тот же
порядок колебаний, что и частоты инфракрасных электромагнитных волн: от 1.1 Дисперсионная кривая кристалла. Основные черты частотно-углового спектра СПР определяются
дисперсионной кривой ((k) кристалла. Дисперсионное соотношение кубического [pic], (2)
где ([pic] - диэлектрическая проницаемость среды на частотах много больших
фундаментальных частот кристаллической решётки, но много меньших частот
электронных переходов, f=(0-([pic] - сила осциллятора, (0 -
фундаментальная частота оптического колебания решетки. На рис.1 приведена
дисперсионная кривая соответствующая уравнению (2). Если бы поперечные
механические колебания и электромагнитные волны были независимы, то первые
описывались Рис.1 Дисперсия кубического кристалла. [pic] Рис.2 Дисперсия анизотропного кристалла.
бы прямыми .((k)=(TO и ((k)=(LO, а вторые - прямой (=[pic]. Запаздывающее
взаимодействие между этими колебаниями в кристалле приводит к поляритонным
возбуждениям, имеющим смешанную электромеханическую природу. На частотах,
больших (LO находиться верхняя поляритонная ветвь. На частотах между (TO и В анизотропных одноосных кристаллах частотам поперечных и продольных
колебаний (Т и (L соответствуют частоты колебаний, смещения которых
параллельны ((еТ; (еL) и перпендикулярны ((оТ; (оL) оптической оси. На
рис.2 изображены дисперсионные кривые, соответствующие случаю, когда вектор 1.2. Интенсивность СПР и симметрия кристалла LiNbO3. [pic] (3)
где [pic] - свертка тензора ((2) и ортов поляризации соответствующих волн,
ns,p,L - показатели преломления на соответствующих частотах, а [pic] - форм-
фактор, описывающий частотно-угловую структуру СПР, когда среда прозрачна
на всех трёх частотах. В последнем выражении введено обозначение [pic],.где Тензор квадратичной восприимчивости ((2) однородных кристаллов ниобата лития, использовавшихся в данной работе, имеет вид [5]: [pic], (4)
причём (xxy=-2(yyy, (yxx=-(yyy, (yyz=(xxz, (zyy=(zxx. Кристаллофизические
оси ориентированы относительно элементов симметрии следующим образом: ось Z
совпадает с оптической осью кристалла, осью симметрии третьего порядка, ось [pic] (5) (2. Рассеяние света на поляритонах в условиях нелинейной дифракции. Изменение нелинейной восприимчивости в пространстве оказывает
воздействие на протекание параметрического процесса в кристалле. [pic], (6) где [pic] - вектор обратной решётки, связанный со слоями-доменами, d - толщина слоя, [pic] - единичный вектор, перпендикулярный слоям, m - целое число. Условия временного синхронизма при этом не меняются. Эффективная нелинейная восприимчивость (5) может быть разложена в виде((eff(2)((): [pic] (7) [pic] (8) [pic] (9) Нелинейная дифракция позволяет получить новое уравнение пространственного синхронизма при генерации второй гармоники. В работе [7] исследовали генерацию второй гармоники (ВГ) в слоисто-неоднородном кристалле ниобата бария-натрия. Была прослежена температурная зависимость интенсивности ВГ при нелинейной дифракции света в окрестности сегнетоэлектрического фазового перехода. Выше температуры этого перехода доменов нет, поэтому интенсивность ВГ резко падает, не опускаясь до нуля, так как существует остаточная поляризованность слоёв. В работе [6] получены спектры нелинейной дифракции в полидоменном
кристалле ниобата бария-натрия при параметрическом рассеянии света. При
этом вектор нормали слоёв [pic] был перпендикулярен вектору накачки [pic]. В работе [8] получены одновременно в одном кристалле вторая и третья
гармоники излучения 1,064 мкм. При генерации второй гармоники в уравнение
волновых векторов входил волновой вектор нелинейной дифракции первого
порядка (m=1), а при генерации третьей гармоники - третьего порядка (m=3). (3. Экспериментальная установка для наблюдения Основными элементами экспериментальной установки (рис.3) для
получения спектров спонтанного параметрического рассеяния на поляритонах Излучение лазера после направляющих зеркал (2) проходит через
диафрагмы (3); служащие для контроля положения накачки. Далее поляризатор
Рис.3. Оптическая схема для наблюдения параметрического рассеяния. (1. Образцы кристаллов LiNbO3. Исследовались кристаллы ниобата лития с различной концентрацией
примесей (Табл.1). Кристалл ниобата лития - одноосный отрицательный в
видимой области спектра, имеющий большое двулучепреломление (n=ne-no(-0.1. Слоистые кристаллы No.2,3 имели форму параллелепипеда. Примесь неодима практически не влияет на значения показателей преломления. Слои параллельны грани [pic]. Оптическая ось расположена в плоскости ZY под углом 57о к нормали слоев. Кристаллы ниобата лития с вращательными слоями роста и закрепленными на них доменами выращивают путём вытягивания из расплава. В образцах ниобата лития с периодической доменной структурой варьировалась концентрация магния от слоя к слою, соответственно от слоя к слою менялся показатель преломления на малую величину, (n(10-4 [10]. Для выращивания монодоменных кристаллов, которые имеют слои с однонаправленным вектором спонтанной поляризации, прикладывают небольшое напряжение к образцу. ТАБЛИЦА 1. (2 Показатели преломления кристаллов в видимом и инфракрасном диапазоне спектра излучения. 2.1 Дисперсия в видимой и ближней ИК области спектра. Были измерены дисперсионные характеристики кристаллов Nd:Mg:LiNbO3 Дисперсионные характеристики no(() и ne(() рассматриваемых кристаллов могут быть описаны формулой Селмейера: [pic], (10)
где A,B,C,D - коэффициенты Селмейера. Значения коэффициентов Селмейера для
кристаллов No 1,2,3,5,6 даны в таблице 2, при этом длина волны
используется в нанометрах. С использованием этих коэффициентов были
построены дисперсионные кривые, а затем посчитано (no(() и (ne(() -
отличие дисперсий кристаллов с примесями от дисперсий беспримесного
кристалла (рис.6,7), также на графики нанесены экспериментальные точки. Таблица 2. Коэффициенты Селмейера кристаллов ниобата лития с различной концентрацией примеси магния. [pic] Рис.4. Зависимость изменения показателей преломления в кристаллах ниобата
лития от концентрации примеси магния на длине
волны 546 нм. Рис.5. Зависимость изменения показателей преломления в кристаллах ниобата лития от концентрации примеси магния на длине волны 1064 нм. [pic] Рис.6. Кривые отличия дисперсий необыкновенного показателя преломления кристаллов с примесью магния от дисперсий беспримесного кристалла и экспериментальные точки для кристаллов No 2....(, No 3....(, No 5....(, No 6....(. Рис.7. Кривые отличия дисперсий обыкновенного показателя преломления кристаллов с примесью магния от дисперсий беспримесного кристалла и экспериментальные точки для кристаллов No 2....(, No 3....(, No 5....(, No 6....(. 2.2 Дисперсия в поляритонной области спектра. Дисперсионные характеристики кристаллов в среднем ИК диапазоне мы получили используя спонтанное параметрическое рассеяние. Этот метод позволяет измерить мнимую и действительную часть диэлектрической проницаемости в области спектра, где поглощение кристалла велико: на частотах фононного поляритона и на верхней поляритонной ветви. В отличие от прямого измерения мы получаем информацию об ИК спектре используя дисперсионные характеристики в видимой области спектра. При процессе СПР частоты и волновые вектора взаимодействующих волн должны удовлетворять условиям частотного и пространственного синхронизма (1). Если мы знаем дисперсию кристалла на частотах накачки и сигнальной волны, то мы можем получить дисперсию на поляритонных частотах, используя уравнения (1). На установке, изображенной на рис.3, получены двумерные частотно-угловые распределения интенсивности рассеянного излучения кристаллов No.2,3,4,5. По этим спектрам определена дисперсия обыкновенного показателя преломления кристаллов на частотах 1.7-10 мкм и 17,5-20,8 мкм. На нижней поляритонной ветви указана ошибка, которая появляется при измерении частоты и угла рассеяния сигнальной волны. На верхней поляритонной ветви ошибка не превышает размера символа, обозначающего экспериментальную точку. Таким образом погрешность измерения показателей преломления спектра методом СПР не позволяет нам заметить влияние примеси на дисперсию кристаллов в ИК области. Следует заметить, что только в кристалле No.5 использовалась геометрия рассеяния, в которой “эллипс” рассеяния на верхней поляритонной ветви достигал длиноволной области видимой части спектра. Возможно, если рассмотреть все кристаллы в той геометрии рассеяния, в которой можно получить дисперсию верхней поляритонной ветви на частотах поляритона больших 3000 см-1, то мы сможем обнаружить отличие в дисперсионных характеристиках кристаллов на соответствующих частотах. Но вблизи фононной частоты методом СПР это сделать невозможно, так как дисперсия здесь имеет большую крутизну.
Рис.8. Поляритонная дисперсия кристаллов: No.3........(, No.4........(, No.5........(. (3. СПР в моно- и полидоменных кристаллах. В слоистых кристаллах может наблюдаться линейная дифракция света. В случае монодоменного кристалла наблюдается несколько дополнительных В полидоменных кристаллах дополнительно к вариациям показателя
преломления варьируется нелинейная восприимчивость второго порядка. Но она
может изменятся гораздо сильнее линейной характеристики, в нашем образце [pic]=47.4o вне кристалла. [pic]Рис.10. Спектр параметрического рассеяния в полидоменном Nd:Mg:LiNbO3 Страницы: 1, 2 |
|
|||||||||||||||||||||||||||||
![]() |
|
Рефераты бесплатно, реферат бесплатно, рефераты на тему, сочинения, курсовые работы, реферат, доклады, рефераты, рефераты скачать, курсовые, дипломы, научные работы и многое другое. |
||
При использовании материалов - ссылка на сайт обязательна. |