МОСКОВСКИЙ 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. 3 Глава 1. Рассеяние света на равновесных поляритонах. 1 Рассеяние света в однородных кристаллах. 1.1 Дисперсионная кривая кристалла. 2. Интенсивность СПР и симметрия кристалла LiNbO2. Рассеяние света на поляритонах в условиях нелинейной дифракции. 3. Экспериментальная установка для наблюдения СПР. 11 Глава 2. Исследование характеристик однородных и слоистых кристаллов ниобата лития с различным содержанием примесей методом спектроскопии СПР. 1. Образцы кристаллов LiNbO2 Показатели преломления кристаллов в видимом и инфракрасном диапазоне спектра излучения. 2.1 Дисперсия в видимой и ближней ИК области спектра. 2.2 Дисперсия в поляритонной области спектра. 3. СПР в моно- и полидоменных кристаллах. 4. Толщина слоя в полидоменном LiNbO24 Глава 3. Четырёхфотонное рассеяние света на поляритонах. 1. Обзор эффектов в нецентросимметричных средах. 2. Прямое четырёхфотонное взаимодействие. 3. Каскадные трехволновые процессы. 4. Экспериментальная установка для наблюдения четырехфотонного рассеяния света на поляритонах. 31 Глава 4. Исследование характеристик кристаллов методом активной спектроскопии. 34 Заключение. 44 Литература. 45 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 . C помощью этого метода можно обнаружить явления, не проявляющиеся в спектрах комбинационного рассеяния света на фононах.
Это происходит в тех достаточно распространенных случаях, когда частоты фононов остаются практически неизменными, а меняются только силы осцилляторов или константы затухания фононов.
При этом существенным образом изменяется и закон дисперсии поляритонных состояний. В данной работе получены спектры спонтанного рассеяния однородных кристаллов ниобата лития с различной концентрацией примеси магния, измерены показатели преломления в видимой и инфракрасной области спектра.
Затем были исследованы кристаллы со слоями роста, некоторые из которых имеют регулярную доменную структуру. В полидоменных кристаллах параметрическое рассеяние при наличии нелинейной дифракции несет в себе информацию не только о дисперсионных характеристиках среды зависимости средних значений показателей преломления и поглощения, квадратичной восприимчивости как от частот так и от поляризации накачки, сигнальной и поляритонной волн но и о характеристиках периодической доменной структуры пространственного распределения оптических свойств. 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
Параметрическое рассеяние света представляет собой процесс спонтанного... Рассеяние света в однородных кристаллах. 1.1 . При определенных условиях возможно прямое взаимодействие оптических ко... существование поляритонных волн.
k TO и k LO, а вторые - прямой. На рис.2 изображены дисперсионные кривые, соответствующие случаю, когд... Запаздывающее взаимодействие между этими колебаниями в кристалле приво... 1.2. .
. В соответствии с видом тензора нелинейной поляризуемости 4 константа н... В последнем выражении введено обозначение где - отстройка волнового ве... Кристаллофизические оси ориентированы относительно элементов симметрии... Впервые вопрос об интенсивности СПР рассматривался в работе 3 .
Рассеяние света на поляритонах в условиях нелинейной дифракции. Измене... Нелинейная дифракция позволяет получить новое уравнение пространственн... Выше температуры этого перехода доменов нет, поэтому интенсивность ВГ ... По полученным спектрам определены отклонение направления роста слоёв о... При генерации второй гармоники в уравнение волновых векторов входил во...
Основными элементами экспериментальной установки рис.3 для получения с... Рис.3. Длиннофокусная линза 5. Образец кристалл 7. Трехлинзовая система 9 Интерференционный фильтр 10.
Исследование характеристик однородных и слоистых кристаллов ниобата лития с различным содержанием примесей методом спектроскопии СПР . 1.
Исследовались кристаллы ниобата лития с различной концентрацией примес... Оптическая ось расположена в плоскости ZY под углом 57о к нормали слое... Кристаллы ниобата лития с вращательными слоями роста и закрепленными н... Для выращивания монодоменных кристаллов, которые имеют слои с однонапр... Кристалл LiNbO3 No.
Показатели преломления кристаллов в видимом и инфракрасном диапазоне спектра излучения . 2.1
Дисперсия в видимой и ближней ИК области спектра. Значения no и ne являются средними по области кристалла, значительно п... Рис.5. Зависимость изменения показателей преломления в кристаллах ниобата лит... Рис.6.
Поляритонная дисперсия кристаллов No.2 , No.3 , No.4 , No.5 3. Если мы знаем дисперсию кристалла на частотах накачки и сигнальной вол... . На установке, изображенной на рис.3, получены двумерные частотно-углов... Дисперсия в поляритонной области спектра. Дисперсионные характеристики...
В слоистых кристаллах может наблюдаться линейная дифракция света. Лине... Особенностью рассеяния в области частот от 4000 см-1 до 900 см-1 являе... Это явление объясняется интерференцией электронной и решёточной частей... Однако в инфракрасном диапазоне эта зависимость достаточно сильная. Рис.9.
66.2o вне кристалла. Глава 3. . Векторная диаграмма взаимодействия параметрического рассеяния и нелине... Толщина слоя в полидоменном LiNbO. Дисперсия обыкновенного показателя преломления полидоменного кристалла...
Четырёхфотонное рассеяние света на поляритонах . 1.
Случай нецентросимметричной среды является наиболее общим при рассмотр... В работе 2 получено возбуждение поляритонной волны методом четырехфото... Был определен показатель преломления и коэффициент затухания для трех ... В связи с этим генерация сигнала может иметь гораздо большую нелокальн... Также было измерено время жизни возбужденного поляритонного состояния.
Соотношение между частотами для данного случая выполняется в виде 12 г... Резонансная восприимчивость возрастает при приближении разностной част... В данном случае создается повышенная по сравнению с равновесной населё... Каскадному когерентному рассеянию соответствует частное решение неодно... Такой процесс является когерентным, потому что происходит рассеяние пр...
Экспериментальная установка для наблюдения четырехфотонного рассеяния ... В большинстве выполненных ранее работ использовалась традиционная схем... Схема экспериментальной установки приведена на рис.16. Углы падания лучей накачки на исследуемый кристалл задаются системой з... Другой двигатель ШД2 служит для поворота кристалла в плоскости, содерж...
В эксперименте возбуждался поляритон в окрестностях частот 541см-1, 55... Спектральные ширины линий накачек составляли приблизительно 1см-1 для ... Для каждой фиксированной сигнальной а, значит, и поляритонной частоты ... Полученные с помощью четырехволновой методики значения обыкновенного п... Перестроечная кривая 1 и интенсивность рассеянного излучения I 1 при у...
Заключение.
В работе исследовались кристаллы ниобата лития с различной концентрацией магния.
При этом использовались метод спонтанного параметрического рассеяния и четырехволновое смешение. 1. Получены зависимости показателей преломления в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне от концентрации примеси магния.
Концентрация примеси магния менялась в пределах 0-1 . 2. Обнаружено аномальное поведение необыкновенного показателя преломления в полидоменном кристалле. 3. Наблюдалась нелинейная дифракция при спонтанном параметрическом рассеянии в полидоменном кристалле. Определен период доменной структуры в полидоменном кристалле методом СПР. 4. Получены дисперсии обыкновенного показателя преломления на поляритонных частотах для кристаллов с различной концентрацией примеси методом СПР. Однако, этот метод не позволил обнаружить отличия дисперсионных характеристик кристаллов в дальней инфракрасной области. 5. Измерен обыкновенный показатель преломления на поляритоне фонона 580 см-1 для трех концентраций примеси магния методом четырехволнового смешения.
Этот метод дает гораздо большую точность, что позволило обнаружить разницу в показателе преломления для кристаллов с различной концентрацией примеси магния. 6. Разработана методика четырехволнового смешения на когерентно возбуждаемых поляритонах.
Список литературы. 1. Д.Н.Клышко. Фотоны и нелинейная оптика, Наука, М 1980 г. 2. J.P.Coffinet and F. De Martini. Phys. Rev. Lett. vol.22, 2, pp.60-64 1969 . 3. Д.Н.Клышко. Письма в ЖЭТФ, 6, 490, 1967. 4. Д.Н.Клышко, В.Ф.Куцов, А.Н.Пенин, Б.Ф.Полковников. ЖЭТФ, 62, 1846, 1972. 5. Ф.Цернике, Д.Мидвинтер. Прикладная нелинейная оптика. Мир М. 1976. 6. А.Л.Александровский, Г.Х.Китаева, С.П.Кулик, А.Н.Пенин. Нелинейная дифракция при параметрическом рассеянии света. ЖЭТФ, 63, 613-615, 1986. 7. А.Л.Александровский, П.Посмыкевич, И.А.Яковлев.
ФТТ, 25, 1199, 1983. 8. A.L.Aleksandrovski, I.I.Naumova, V.V.Tarasenko. Ferroelectrics, 141, 147-152, 1993. 9. А.Л.Александровский, О.А.Глико, И.И.Наумова, В.И.Прялкин. Линейная и нелинейная дифракционные решетки в монокристаллах ниобата лития с периодической доменной структурой. Квантовая электроника, т.23, 7, с. 1-3, 1996. 10. А.Л.Александровский, Г.И.Ершова, Г.Х.Китаева, С.П.Кулик, И.И.Наумова, В.В. Тарасенко.
Дисперсия показателей преломления в кристаллах LiNbO3 Mg и LiNbO3 Y . Квантовая электроника, 18, 254-256, фев 1991. 11. Г.М.Георгиев, Г.Х.Китаева, А.Г.Михайловский, А.Н.Пенин, Н.М.Рубинина. Физ. Тверд. Тела Ленинград , 16, 3524, 1974. 12. Д.Н.Клышко, А.Н.Пенин, Б.Ф.Поливанов. Параметрическая люминисценция и рассеяние света на поляритонах. Письма в ЖЭТФ, 2, 11-14, 1970. 13. Winter F.X, Claus R. Optic Communication, 6, 22-25, 1972. 14. Ю.Н.Поливанов, А.Т.Суходольский. Наблюдение интерференции прямых и каскадных процессов при активной спектроскопии поляритонов. Письма в ЖЭТФ, 25, 240-244, 1977. 15. В.Л.Стрижевский, Ю.Н.Яшкир Квантовая электроника, т.2, 5, стр.995, 1975. 16. F.DeMartini, G.Giuliani, P.Mataloni, E.Palange and Y.R.Shen. Phys. Rev. Lett. vol.37, 7, pp.440-443, 1976. 17. G.M.Gale, F.Vallee, and C.Flitzanis.
Phys. Rev. Lett. vol.57, 15, pp.1867-1870, 1986. 18. Ахманов С.А Коротеев Н.И. Методы нелинейной оптики в спектроскопии рассеяния света . с. 38, 1981. 19. Д.Н.Клышко.
Квантовая электроника, т. 2, 2, c. 265-271,1974.