Автореферат (Кристаллы семейства калий-редкоземельных вольфраматов как материалы для акустооптики)

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИНАУЧНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ЦЕНТРУНИКАЛЬНОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯРОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУКНа правах рукописиВеликовский Дмитрий ЮрьевичКРИСТАЛЛЫ СЕМЕЙСТВА КАЛИЙ-РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХВОЛЬФРАМАТОВ КАК МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ АКУСТООПТИКИСпециальность: 01.04.01 «Приборы и методы экспериментальной физики»АВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2015-- 2 --Работа выполнена вприборостроения» РАН.ФГБУННаучный руководитель:Пожар Витольд Эдуардович,д.ф.-м.н., ФГБУН «Научно-технологическийуникального приборостроения» РАН, зав.отд.Научный консультант:«Научно-технологическийцентруникальногоцентрМазур Михаил Михайлович,д.т.н., ФГУП «Всероссийский научно-исследовательскийинститут физико-технических и радиотехническихизмерений», зав.лаб.Официальные оппоненты: Писаревский Юрий Владимирович,д.ф.-м.н., ФГБУН «Институт кристаллографии имениА.В.

Шубникова» РАН, гл.н.с.Князев Григорий Алексеевич,к.ф.-м.н, кафедра фотоники и физики микроволнфизического факультета Московского ГосударственногоУниверситета имени М.В. Ломоносова, доцентВедущая организация:Федеральное государственное автономное образовательноеучреждениевысшегопрофессиональногообразования“Национальныйисследовательскийтехнологический университет «МИСиС»”Защита состоится «10» декабря 2015 года в 15-30 на заседании диссертационного советаД501.001.66набазеМосковскогогосударственногоуниверситетаимениМ.В.Ломоносова по адресу: 119991, Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 2, Физическийфакультет МГУ, ауд.

ЦФА.СдиссертациейможноознакомитьсявНаучнойбиблиотекеМГУимениМ.В.Ломоносова и на сайте http://phys.msu.ru/rus/research/disser/sovet-D501-001-66/Автореферат разослан «6» ноября 2015 годаУченый секретарь диссертационного совета Д 501.001.66,к.ф.-м.н.И.Н.Карташов-- 3 --ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность исследованияУстройства для управления оптическим излучением находят широкое применение,связанное с ростом мощности лазерных излучателей. Акустооптические (АО) устройствауспешно и эффективно используются для модуляции светового излучения и егоуправляемого отклонения.

Однако, разнообразие эффективных АО материалов невелико,и такие свойства как лучевая стойкость не входили в число приоритетных характеристик,по которым они отбирались.Новым направлением поиска является исследование акустооптических свойствлазерных материалов. Кристаллы семейства калий-редкоземельных вольфраматовKRE(WO4)2 (далее: KREW), в особенности калий-гадолиниевый вольфрамат KGd(WO4)2 ,являются широко известными лазерными материалами. В диссертации рассмотрены этоти другие кристаллы семейства – калий-лютециевый вольфрамат KLu(WO4)2 (кратко:KLuW) и калий-иттербиевый вольфрамат KYb(WO4)2 (кратко: KYbW).

Особенности,связанные с использованием в качестве RE-элемента других лантаноидов, изучаютсяначиная с 70-х годов и до настоящего времени [1]. Кристаллы KREW, легированныеиттербием, широко используются для получения импульсного излучения при пассивноймодуляции мод [2]. Некоторые из них, например KGW, обладают очень высокой лучевойстойкостью, которая достигает 180 ГВт/см2 при длительности импульсов τ = 20 нс [3].Это на порядок и более превышает показатели для любых используемых в акустооптикематериалов. Кристаллы KGW так же являются активными материалами длякомбинационного (рамановского) рассеяния с множеством уровней переходов.В качестве акустооптических затворов для мощных твердотельных лазеров внастоящее время используются АО модуляторы на кварце SiO2, причем из-за высокоймощности управляющего сигнала устройства принудительно охлаждаются водой.Применение модуляторов на новых материалах с высоким акустооптическим качествоми лучевой стойкостью позволит отказаться от охлаждения АО ячейки и упроститьконструкцию лазеров.В ходе работы были исследованы фотоупругие и упругие свойства кристаллов соструктурой KREW.

Кристаллическая структура материалов была широко изученаранее [4]. Существуют три стабильные структурные фазы. Низкотемпературная имеетмоноклинную элементарную ячейку и является наиболее известной, благодаря своимлазерным свойствам. Это материалы с низкосимметричной элементарной ячейкой-- 4 --кристаллографического класса 2/m, и характеризуются оптической двуосностью. Чтопридает их исследованию дополнительную сложность и интерес, поскольку дифракциясвета на ультразвуковой волне в оптически двуосных средах до сих пор остаетсянедостаточно широко исследованной областью акустооптики.

Известно, что АОвзаимодействие в таких средах имеет существенные особенности. Однако устройств,реализующих эти особенности, пока не разработано. Таким образом, поиск и освоениеэффективных и технологичных оптически двуосных акустооптических кристалловявляется важной практической задачей.Цели и задачи диссертационной работы1. Исследование акустических свойств кристаллов семейства KRE(WO4)2.2. Исследование акустооптических свойств кристаллов семейства KRE(WO4)2.3. Разработка АО устройств с новыми свойствами для управления лазерным излучениемвысокой мощности.Положения, выносимые на защиту1.

Измерены значения скоростей звука и вычислены на их основе упругие константыкристаллов KGd(WO4)2 , KYb(WO4)2 и KLu(WO4)2 , позволяющие определять скоростии поляризации звуковых волн для произвольных направлений распространения в этихматериалах, что необходимо для расчета характеристик акустооптических устройств.2. Измеренные значения коэффициентов акустооптического качества кристалловKGd(WO4)2 , KYb(WO4)2 и KLu(WO4)2 , и вычисленные по этим данным фотоупругиемодули, позволяют определить удельную эффективность «изотропной» дифракциисветовых волн на фазовой дифракционной решетке, созданной ультразвуком, дляпроизвольных направлений распространения.3. Разработанные и апробированные методы определения значений компонент тензораупругости cαβ и фотоупругости pαβ, позволяют проводить измерения и вычисления cαβи pαβ для моноклинных кристаллов класса 2/m.4. Выявлены акустооптические характеристики лазерных кристаллов KGd(WO4)2 ,KYb(WO4)2 и KLu(WO4)2 , позволяющие создавать на их основе эффективныеустройства для управления высокоинтенсивным лазерным излучением.Личный вклад автора-- 5 --Все результаты, представленные в работе, получены диссертантом лично, либо всоавторстве при его непосредственном участии.Научная новизна результатов и выводов1.

В полном объеме исследованы акустические свойства монокристаллов семействакалий-редкоземельных вольфраматов KRE(WO4)2, где RE = Gd, Yb и Lu. Впервыеопределены полные матрицы констант жесткости сред сαβ в кристаллофизическойсистеме координат. Рассчитаны и построены угловые диаграммы скоростей звука впяти плоскостях, наиболее интересных с точки зрения практического применения.Показано, что значения скоростей обладают значительной угловой дисперсией, чтонеобходимо учитывать и можно использовать при разработке акустических иакустооптических устройств на основе рассматриваемых кристаллов.2. Впервые были измерены коэффициенты акустооптического качества M в случаеизотропной дифракции (с сохранением плоскости поляризации) в KRE(WO4)2, гдеRE = Gd, Yb и Lu.3. На основе данных о коэффициентах M определены величины соответствующихфотоупругих модулей pαβ.

Полученные результаты позволяют утверждать, чтокристаллы семейства KRE(WO4)2 являются в несколько раз более эффективнымиакустооптическими материалами, чем кварц SiO2.Практическая значимость работы1. Показано,чтокристаллысемействакалий-редкоземельныхвольфраматовKRE(WO4)2, где RE = Gd, Yb и Lu, могут быть эффективно применены в областях,использующих акустооптические эффекты и требующих высокой лучевой стойкости.2. Разработан и испытан АО модулятор с высокой лучевой стойкостью, слабочувствительный к поляризации падающего света.3. Предложены схемы нескольких акустооптических устройств на основе исследуемыхоптически двуосных материалов. Показана возможность создания принципиальноновых устройств акустооптики, например, дефлектора с большой угловой апертурой.Проведена оценка возможных параметров таких устройств, в том числе определеныих рабочие ультразвуковые частоты.

Проанализирована возможность созданияустройства нового типа, обеспечивающего и генерацию излучения, и управлениедобротностью в одном кристалле.-- 6 --4. Разработаны и аттестованы две методики Государственной службы стандартныхсправочных данных ГСССД: «Методика экспериментального определения упругиххарактеристик лазерных кристаллов моноклинной сингонии для задач акустооптики»и «Методика экспериментального определения фотоупругих характеристик лазерныхкристаллов моноклинной сингонии для задач акустооптики».Апробация работыОсновные результаты исследований докладывались на следующих международных ивсероссийских конференциях:1.

21st Annual Student Conference «Week of Doctoral Student 2012», Prague, Czech Republic,2012;2. 15th international conference on “Laser Optics 2012”, St. Petersburg, Russia, 2012;3. VII Международная конференция “Фундаментальные проблемы оптики-2012” СанктПетербург, Россия, 2012 г.;4. Фотоника и информационная оптика, МИФИ, Москва, Россия, 2013 г.;5. Научно-практическая конференция молодых ученых, аспирантов и специалистов«Метрология в XXI веке», Менделеево, Россия, 2013г.;6.