151623 (Трьох- і чотирьох хвильове розсіяння світла на поляритонах в кристалах ніобіту літію з домішками), страница 2

1. Ar+лазер; 2. Дзеркало ; 3. Діафрагма ; 4. Довгофокусна лінза ; 5. Призма Глана (поляризатор) ; 6. Зразок (кристал) ; 7. Призма Глана (аналізатор) ; 8. Трьохлінзова система ; 9 Інтерференційний фільтр ; 10. Спектрограф.

Розділ 2. Дослідження характеристик однорідних і шаруватих кристалів ніобіту літію з різним змістом домішок методом спектроскопії СПР

1. Зразки кристалів LiNbO3

Досліджувалися кристали ніобіту літію з різною концентрацією домішок (Табл.1). Кристал ніобіту літію - одноосний негативний у видимій області спектру, такий, що має велике двопромінепреломлення n=ne-no-0.1. Концентрація домішок (Nd і Mg) була зміряна за допомогою рентгенівського мікроаналізу. Однорідні кристали No.4,5,6 вирощені уздовж оптичної осі Z.

Шаруваті кристали No.2,3 мали форму паралелепіпеда. Домішка неодиму практично не впливає на значення показників заломлення. Шари паралельні грані . Оптична вісь розташована в площині ZY під кутом 57о до нормалі шарів. Кристали ніобіту літію з обертальними шарами зростання і закріпленими на них доменами вирощують шляхом витягування з розплаву. У зразках ніобіту літію з періодичною доменною структурою варіювалася концентрація магнію від шару до шару, відповідно від шару до шару мінявся показник заломлення на малу величину, n10-4 [10]. Для вирощування моно доменних кристалів, які мають шари з одно направленим вектором спонтанної поляризації, прикладають невелику напругу до зразка.

ТАБЛИЦЯ 1.

2 Показники заломлення кристалів у видимому і інфрачервоному діапазоні спектру випромінювання

2.1 Дисперсія у видимій і ближній ГИК області спектру

Були зміряні дисперсійні характеристики кристалів Nd:Mg:LiNbO3 (No.2,3) у видимому і ближньому ГИК діапазоні методом найменшого відхилення світу, з використуванням гоніометр-спектрометра ГС-5. Для цього з частини кристала вирізувалася призма. На частоті 1.06 мкм для візуалізації випромінювання використовувався прилад нічного бачення. Абсолютна помилка вимірювання складала в середньому 0.0002. Значення no і ne є середніми по області кристала, модуляції, що значно перевищує період лінійної і нелінійної сприйнятливості. Результати вимірювання показників заломлення кристалів No.5,6 представлені в роботі [10]. Значень звичайного і незвичайного показників заломлення в кристалі ніобіту літію без домішок No.1 набуті в статті [11]. Порівняння отриманих даних і результатів робіт [10,11] дозволяє судити про вплив домішці на дисперсійні характеристики. На Мал.4,5 приведені залежності зміни no і ne від концентрації домішки магнію на довжині хвилі 546 нм і 1064 нм. Видно, що залежності мають однаковий характер в різних областях спектру, причому наявність домішки неодиму в кристалах No.2,3 не впливає помітно на хід цих кривих.

Дисперсійні характеристики no() і ne() даних кристалів можуть бути описані формулою Селмейера:

, (10)

де A,B,C,D - коефіцієнти Селмейера. Значення коефіцієнтів Селмейера для кристалів No 1,2,3,5,6 дані в таблиці 2, при цьому довжина хвилі використовується в нанометрах. З використанням цих коефіцієнтів були побудовані дисперсійні криві, а потім пораховане no() і ne() - відмінність дисперсій кристалів з домішками від дисперсій бездомішкового кристала (рис.6,7), також на графіки нанесені експериментальні крапки. Можна відмітити, що поведінка дисперсії незвичайного показника заломлення полідоменного кристала No.2 сильно відрізняється від ходу ne() моно доменних кристалів. Особливості в спектральній поведінці показника заломлення полідоменного кристала можуть бути пояснені впливом зарядів, що знаходяться на стінках доменів.

Таблиця 2.Коефіцієнти Селмейера кристалів ніобіту літію з різною концентрацією домішки магнію

Мал.4. Залежність зміни показників заломлення в кристалах ніобіту літію від концентрації домішки магнію на довжині хвилі 546 нм.

Мал. 5. Залежність зміни показників заломлення в кристалах ніобіту літію від концентрації домішки магнію на довжині хвилі 1064 нм.

Мал.6. Криві відмінності дисперсій незвичайного показника заломлення кристалів з домішкою магнію від дисперсій бездомішкового кристала і експериментальні крапки для кристалів No 2,

No 3....,

No 5....,

No 6.....

Мал.7. Криві відмінності дисперсій звичайного показника заломлення кристалів з домішкою магнію від дисперсій бездомішкового кристала і експериментальні крапки для кристалів No 2....,

No 3....,

No 5....,

No 6.....

2.2 Дисперсія в поляритонної області спектру

Дисперсійні характеристики кристалів в середньому ГИК діапазоні ми отримали використовуючи спонтанне параметричне розсіяння. Цей метод дозволяє зміряти уявну і дійсну частину діелектричної проникності в області спектру, де поглинання кристала велике: на частотах фононного поляритону і на верхній поляритонній гілки. На відміну від прямого вимірювання ми отримуємо інформацію про ГИК спектрі використовуючи дисперсійні характеристики у видимій області спектру. При процесі СПР частоти і хвилеві вектора взаємодіючих хвиль повинні задовольняти умовам частотного і просторового синхронізму (1). Якщо ми знаємо дисперсію кристала на частотах накачування і сигнальної хвилі, то ми можемо отримати дисперсію на поляритонних частотах, використовуючи рівняння (1). На установці, зображеній на рис.3, отримані двовимірні частотно-кутові розподіли інтенсивності розсіяного випромінювання кристалів No.2,3,4,5. По цих спектрах визначена дисперсія звичайного показника заломлення кристалів на частотах 1.7-10 мкм і 17,5-20,8 мкм. На нижній поляритонной гілки вказана помилка, яка з'являється при вимірюванні частоти і кута розсіяння сигнальної хвилі. На верхній поляритонній гілці помилка не перевищує розміру символу, що позначає експериментальну крапку. Таким чином погрішність вимірювання показників заломлення спектру методом СПР не дозволяє нам відмітити вплив домішки на дисперсію кристалів в ГИК області. Слід відмітити, що тільки в кристалі No.5 використовувалася геометрія розсіяння, в якій “еліпс ” розсіяння на верхній поляритонній гілці досягав довгохвильової області видимої частини спектру. Можливо, якщо розглянути всі кристали в тій геометрії розсіяння, в якій можна отримати дисперсію верхньої поляритонній гілці на частотах поляритону великих 3000 см-1^, то ми зможемо виявити відмінність в дисперсійних характеристиках кристалів на відповідних частотах. Але поблизу фононної частоти методом СПР це зробити неможливо, оскільки дисперсія тут має велику крутизну.

Мал.8. Полярітонная дисперсія кристалів:

No.2....,

No.3.....,

No.4........,

No.5.........

3. СПР в моно- і полідоменних кристалах

У шаруватих кристалах може спостерігатися лінійна дифракція світла. Лінійна дифракція може відбуватися на варіаціях діелектричної проникності, тобто зміні показника заломлення кристала. Хвилевий вектор діфрагованого променя повинен лежати на тій же поверхні Френеля, що і падаючий промінь, оскільки лінійна дифракція відбувається без зміни частоти випромінювання. При параметричному розсіянні діфрагувати може будь-яка з хвиль тих, що беруть участь у взаємодії (накачування, розсіяне, поляритон), якщо її хвилевий вектор в кристалі задовольняє попередній умові. На рис.9,10 дано два спектри для монодоменного No.3 і полідоменного No.2 кристалів відповідно з однаковою товщиною шарів і в однаковій геометрії (поза кристалом кут між накачуванням і нормаллю до шарів 9,6о⁾. Особливістю розсіяння в області частот від 4000 см-1 до 900 см-1 є падіння інтенсивності до нуля в околиці 1700 см-1. Це явище пояснюється інтерференцією електронної і ґратчастої частин сприйнятливості [12].

У разі моно доменного кристала спостерігається декілька додаткових “еліпсів” в червоній області спектру. Це явище не можна пояснити, як лінійну дифракцію, оскільки відбувається зміна частоти в порівнянні з основним “еліпсом”. А усередині кристала вектор нормальний шарам, майже паралельний накачуванню, тому він не може перевести хвилевий вектор на ту ж поверхню Френеля. Аналогічна ситуація для сигнальної хвилі, оскільки вона розсівається на невеликий кут. Виникнення додаткових “еліпсів” на спектрі (рис.9) можна пояснити неоднорідністю кристала або відхиленням його складу від складу, відповідного хімічній формулі. У ніобіті літію відмінність, як правило, полягає в невідповідності числа атомів літію в елементарному осередку числу, визначуваному хімічною формулою. Цей ефект можна теж віднести до просторової неоднорідності кристала. Судячи по спектру, можна сказати, що в кристалі існує чотири області з різним власним складом. Згідно [13] у видимому діапазоні спектру звичайний показник заломлення не залежить від стехиометрии кристала. Проте в інфрачервоному діапазоні ця залежність достатньо сильна. Можна визначити показник заломлення поляритону по перебудованих кривих для областей кристала різного складу. Наприклад, на частоті 2700 см-1 він має значення np=2.133; 2.143; 2.154; 2.167. Це відповідає максимальному розкиду коефіцієнта стехиометрии на 0.01.

У полідоменних кристалах додатково до варіацій показника заломлення варіюється нелінійна сприйнятливість другого порядку. Але вона може зміняться набагато сильніше за лінійну характеристику, в нашому зразку (2) міняється від - (2) до + (2) від шару до шару. Нелінійна дифракція відбувається на варіаціях цієї нелінійної сприйнятливості. Сусідні домени мають антипаралельну поляризацію, причому вектора поляризації орієнтовані уздовж оптичної осі кристала. На рис.10 зображений спектр полідоменного кристала ніобіту літію No.2. Окрім основного “еліпса” верхньої поляритонной гілки, видно частина “еліпса” розсіяння в перший порядок нелінійної дифракції. Розсіяння в інші дифракційні максимуми не спостерігається, оскільки для них не виконується умова просторового синхронізму. Також на спектрі, окрім поляритонного розсіяння на фононі 580 см-1, видно частина поляритонного розсіяння в перший дифракційний максимум. На рис.11 зображений спектр цього ж кристала No.2 в іншій геометрії розсіяння (кут між накачуванням і нормаллю до шарів -9,2^о поза кристалом). “Еліпс” розсіяння на верхній поляритонної гілці збільшився і торкається кривий розсіяння в перший дифракційний максимум. Тепер ми маємо розсіяння в нульовий і перший порядки дифракції на однакових частотах, це дозволяє визначити період доменної структури.