Диссертация (Кристаллы семейства калий-редкоземельных вольфраматов как материалы для акустооптики), страница 8

2.1. Оптическая (а) и акустическая (б) анизотропия кристаллов семействаKRE(WO4)2-- 51 --Таблица 2.1. Спектрально-оптические свойства кристаллов KRE(WO4)2KGd(WO4)2 [34] KYb(WO4)2 [56] KLu(WO4) [57]A1.5344 b3.061723.36989B0.43600.886550.74309C, мкм0.186180.238580.26193D, мкм -20.00209990.022860.04331A1.54373.178843.21749B0.45410.916240.75382C, мкм0.188910.250870.25066D, мкм -20.00215670.004850.05076A1.38673.284123.58334B0.65730.992100.73512C, мкм0.170020.254260.26700D, мкм -20.00029130.019360.029532.0120 a2.0214 c2.0227 cnm 0.633 мкм 2.0436 a2.0649 c2.0614 c2.0817 a2.1120 c2.1133 c44.9○41.7○npnmngnpng○θ d 0.633 мкм 43.1aЭкспериментальные данные [58].bКоэффициенты дисперсионного уравнения Зелмеера для кристалла KGW [34]недостаточно точны, поскольку показатели преломления np, nm и ng при длиневолн 0.633 мкм не совпадают с экспериментально определенные значениями[58].cВычислены из дисперсионного уравнения.dУглом между оптическими осями является угол 2θ.

Определен по приведеннымпоказателям преломления материалов.-- 52 --Кристаллы прозрачны в видимом и ближнем ИК диапазонах. Например,KLuW имеет диапазон прозрачности 0.4-5.5 мкм, что превышает диапазонпрозрачности широко применяемого в акустооптике TeO2.Рис. 2.2. Диапазон прозрачности кристалла KLu(WO4)2. Иллюстрация из работы[25]Используемыйвработеподходвполноймереправомерендлямоноклинных кристаллов симметрии 2/m, в которых отсутствует оптическаяактивность среды. Этот эффект может заметно сказываться при распространениисвета в близи оптических осей; однако при выборе геометрии дифракции вблизидиэлектрических осей вклад оптической активности обычно лежит в пределахпогрешности определения коэффициента M методом Диксона.

В целомиспользованный подход применим для всех оптически двуосных кристалловмоноклинной структуры.-- 53 --2.3 Схемаустановкидляизмеренияфотоупругиххарактеристиккристаллических материаловМетод Диксона [55] для определения показателя АО качества Mпредполагает вычисление коэффициента дифракции света по результатамсравнительных измерений, выполняемых в одинаковых условиях в исследуемом иизвестном материалах (см.

Рис. 2.3). В качестве известного (референтного)материала целесообразно взять всесторонне исследованный материал, например,плавленый кварц [12]. Выбор изотропного материала позволяет упроститьизмерительные процедуры за счет отсутствия сноса акустического пучка вматериале.Возбуждениеакустическойволнывобразцеосуществляетсяпосредством плотного контакта его с кристаллом-буфером, изготовленным изреферентного материала и имеющим прикрепленный акустический излучатель.Для возбуждения разных мод ультразвука можно использовать два буфера, илиодин с двумя пьезопреобразователями (например, на основе LiNbO3) – длявозбуждения продольной и поперечной акустической волны.

Использовалсягенератор высокочастотных сигналов, синхронизированный с фотодетектором(см. рис. 3), для питания пъезопреобразователя. Для изотропной дифракциичастоты ультразвука обычно лежат в пределах 25-100 МГц, в зависимости отчастоты согласования АО буфера.-- 54 -ВЧ сигналI2БуферI3I1IrefI1I2I3CклейкаФотоприемникI4IcrI5I4 I5Рис. 2.3.Кристаллв)Принцип измерений АО качества кристаллов по методу Диксона.(а) и (б) – осциллограммы, полученные фотодетекторами вдифракционномпорядкевбуфереикристалле(взятыдляиллюстрации из работы [55]);(в) – схема распространения акустических импульсов и оптическихпучков;I1 – исходный импульс; I2 – отраженный в буфере импульс;I3 – вернувшийся из кристалла импульс;I4 – прошедший в кристалл импульс;I5 – отраженный от торца кристалла импульс.Исследуемый образец прикрепляется к буферу с помощью клеевогоматериала, пропускающего используемые в измерениях ультразвуковые волны,например,жидкойэпоксиднойсмолыдляпродольноймоды,илицианокрилатного клея для сдвиговых волн [59].

В качестве источника света вэкспериментеследуетиспользоватьмонохроматическийколлимированныйисточник, например, He-Ne лазер. Акустические волны в буфере должнывозбуждаться на частотах, соответствующих дифракции света на них привыбранном угле падения.-- 55 --Измерения заключаются в регистрации эффекта дифракции светового пучканаакустическомимпульсе,возбуждаемомпьезопреобразователемираспространяющемся последовательно в буфере и кристалле.

В соответствие сформулой (2.5) амплитуда сигнала, регистрируемого фотоприемником в +1 или в–1 порядках дифракции, прямо пропорциональна мощности соответствующегоультразвукового импульса и коэффициенту АО качества M данного кристалла, азависимость от длины взаимодействия сокращается, т.к. ширина пучка одинаковав буфере и кристалле. При размере излучателя ∼0.5 см и размерах кристаллов до 5cм дифракционная расходимость ультразвука пренебрежимо мала. Системанастраивалась таким образом, чтобы акустический пучок не попадал на стенкиобразца и буфера. Экспериментальная схема (см. Рис.

2.4) позволяет пренебречьзависимостью от интенсивности падающего светового пучка, поскольку и буфер,и кристалл освещаются последовательно одним и тем же источником. Различиеоптических коэффициентов пропускания для буфера и кристалла в измерительнойформуле (2.7) устранено путем нормировки на интенсивность лазерногоизлучения прошедшего через буфер Iref и излучения прошедшего через кристаллIcr в отсутствие акустических импульсов, что справедливо при небольших углахдифракции света.ГенераторРис. 2.4.

Пример блок-схемы измерительной установки.-- 56 --Акустические потери при распространении звука в кристалле и егопрохождении через склейку, а также потери при отражении звуковой волны отсвободной грани, сокращаются при использовании следующей безразмернойкомбинации амплитуд сигналов [55]:=M M refI 4 ⋅ I 5 I cr⋅.I1 ⋅ I 3 I ref(2.7)Здесь Mref – коэффициент акустооптического качества референтного кристалла(буфера), который, например, для плавленого кварца составляет Mref = 1.56 ⋅10-15 с3/кг (при дифракции на продольной волне). Нумерация импульсовприведена на Рис. 2.3.Изсоображенийудобствалучшеиспользоватьлазерскруговойполяризацией света, что позволит иметь одинаковую интенсивность падающегона образец света при любой ориентации поляризатора.Перед проведением измерений должна производиться юстировка кристалла.Сначала исследуемый образец следует установить так, чтобы падение света на егогрань было нормальным.

Затем, перемещая оптический столик с закрепленнымобразцомвертикальноигоризонтальноотносительнонаправленияраспространения света (вверх-вниз и вправо-влево), необходимо выбратьположение кристалла, при котором интенсивность дифрагированного светанаиболее высока. Далее, наклоном образца относительно горизонтальной осиопределяется угол максимальной интенсивности дифракции, т.е. угол Брэгга.Выборнаправленияполяризациипадающегосветапооднойиздиэлектрических осей (Nm , Np , Ng) осуществляется с помощью входногополяризатора.Дляоценкивозможноговлиянияоптическойактивностиконтролировалась поляризация выходящего из образца изучения с помощьюанализатора, установленного параллельно поляризатору (при наблюденииизотропной дифракции).-- 57 --2.3.1 Подготовка образцовОсновной образец, использованный для измерений, представлял собойпрямоугольный параллелепипед, ориентированный вдоль диэлектрических осейNm, Np и Ng.

Ввиду упомянутой проблемы нахождения знака упругооптическихкоэффициентов необходимы дополнительные измерения АО качества M придругой ориентации акустической и световых волн. В качестве дополнительногообразцадляизмерениякоэффициентаMиспользовалсяпрямоугольныйпараллелепипед с ориентацией граней по кристаллофизическим осям X, Y, Z.Размеры граней образцов составляли около 1 см.Ориентирование кристаллических образцов было осуществлено припомощи рентгеновского дифрактометра с точностью порядка 20′. И такая жеточность применена к параллельности противоположных граней.

Длины образцовпо разным кристаллографическим направлениям составляли примерно от 10 ммдо 20 мм. Следует отметить, что требования на точность ориентации образцов приизмерении упругих констант заметно выше. Поэтому эти же образцы былииспользованы в измерениях упругооптических констант.Рис. 2.5. Кристаллические образцы, изготовленные из KGd(WO4)2 (слева) иKLu(WO4)2 (справа).-- 58 --2.4 Измерение коэффициентов акустооптического качества M кристалловKRE(WO4)2Экспериментальное определение значений коэффициентов АО качества вразличных геометриях осуществлялось следующим образом:1.Образцыисследуемогоматериалабылиподготовленывформепараллелепипеда, ориентированного вдоль диэлектрических осей.2.Последовательно проведены измерения дифракции света в геометриях,описанных в Таблице 2.2, следующим образом.2.1.Исследуемый образец прикреплялся (или приклеивался) рабочейгранью к буферу так, чтобы акустическая волна имела желаемуюполяризацию.2.2.Луч лазера направлялся на буфер из известного материала иосуществляласьюстировкаоптическойсхемыпосредством наклонаоптического столика и выбора угла, соответствующего максимальнойэффективности дифракции.

При этом необходимо задать желаемуюполяризацию падающего излучения на образец путем соответствующейориентации поляризатора.2.3.Комплекс измерений включал следующие шаги:2.3.1. Измерение интенсивности прошедшего пучка Iref с установленнымиполяризаторами. Световой поток ослаблялся светофильтрами так, что бынасыщениефотоприемниканепроявлялосьвовсемдиапазонерегистрируемых сигналов.2.3.2. Измерение интенсивность дифрагированного света в +1 (или в –1)порядке на исходном импульсе I1 и вернувшемся из кристалла импульсе I3.2.4.Перемещение системы по вертикали так, чтобы луч лазера проходил черезисследуемый кристалл.2.5.Юстировка оптической схемы по углу (см.

п.2.2).2.6.Проведение комплекса измерений.-- 59 --2.6.1. Измерение интенсивность прошедшего пучка Icr .2.6.2. Измерение интенсивность дифрагированного света на импульсе,вошедшем из буфера I4 и на импульсе, отраженном от свободной грани I5 .Таблица 2.2. КоэффициентыакустооптическогокачестваM2кристалловKRE(WO4)2Коэффициент АО качестваУльтразвукНаправлениераспространенияLY (Np)QLNg(Ng*)(Ng*)квазипродольныхKLuW0.750.680.74Np (Y)1.01.31.9Ng (Z')1.31.10.89Nm (X')1.80.571.1Np (Y)0.110.300.22Ng (Z')0.780.680.57Nm (X')6.18.77.7Np (Y)5.97.411141110Nm (X')3.00.70.77Np (Y)0.5<0.060.114.614.0Ng (Z')иKYbWNm (X')Ng (Z')QSNgДляKGW(Nm*)Np*светаПоляризацияQLNmМ×10-15, с3/кгПоляризация19квазипоперечныхраспространяющихся в направлениях X' и Z'акустическихволн,указана ось, смещение внаправлении которой максимально.Точностьрезультатовизмерениякоэффициентовакустооптическогокачества M определяется двумя факторами.