Трех- и четырехволновое рассеяние света на поляритонах в кристаллах ниобата лития с примесями (стр. 2 из 6)
, (4)причём cxxy=-2cyyy, cyxx=-cyyy, cyyz=cxxz, czyy=czxx. Кристаллофизические оси ориентированы относительно элементов симметрии следующим образом: ось Z совпадает с оптической осью кристалла, осью симметрии третьего порядка, ось X перпендикулярна плоскости зеркальной симметрии m, а ось Y лежит в этой плоскости. Геометрии рассеяния, которая была реализована в эксперименте, соответствует схематическая запись X(Z,Y)X+DZ. Здесь последовательность индексов задаёт направления векторов
соответственно. Последнее выражение X+DZ определяет плоскость рассеяния, которая, в свою очередь, задается ориентацией входной щели спектрографа (в данном случае плоскость XZ). В соответствии с видом тензора нелинейной поляризуемости (4) константа нелинейного взаимодействия равна: 
(5)Это означает, что регистрировалось излучение, рассеянное на обыкновенных поляритонах.
§2. Рассеяние света на поляритонах в условиях нелинейной дифракции.
Изменение нелинейной восприимчивости в пространстве оказывает воздействие на протекание параметрического процесса в кристалле. Периодическая модуляция нелинейной восприимчивости влияет на условия пространственного синхронизма[6]:
, (6)где
- вектор обратной решётки, связанный со слоями-доменами, d - толщина слоя, 
- единичный вектор, перпендикулярный слоям, m - целое число. Условия временного синхронизма при этом не меняются. Эффективная нелинейная восприимчивость (5) может быть разложена в виде(ceff(2)ºc): 
(7)Амплитуды пространственных гармоник квадратичной восприимчивости имеют вид:
(8)Тогда поляризация на частоте рассеянного излучения выглядит следующим образом:
(9)Отсюда видно, что интенсивность рассеянного излучения в направлении, соответствующем m-ому порядку дифракции, пропорциональна Фурье-амплитуде cm.
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
был перпендикулярен вектору накачки 
. Наблюдалось рассеяние в первом и втором порядке дифракции, смещённого по углу относительно нулевого порядка дифракции. По полученным спектрам определены отклонение направления роста слоёв от оптической оси кристалла и период регулярной доменной структуры .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). Кристалл состоял из участков с периодическими доменами различной толщины. В каждом процессе участвовала область с доменами, толщина которых удовлетворяла уравнению пространственного синхронизма.
§3. Экспериментальная установка для наблюдения СПР.
Основными элементами экспериментальной установки (рис.3) для получения спектров спонтанного параметрического рассеяния на поляритонах (ПР-спектрограф) являются: аргоновый лазер (1) с длиной волны lL=488 нм, нелинейный кристалл (6), две призмы Глана (поляризатор (5) и анализатор (6)), трёхлинзовая оптическая система (8) для получения углового спектра и спектрограф (10) для получения частотного спектра.
Излучение лазера после направляющих зеркал (2) проходит через диафрагмы (3); служащие для контроля положения накачки. Далее поляризатор (5) выделяет поляризацию накачки, параллельную щели спектрографа. Анализатор (6) пропускает сигнальную волну с поляризацией, перпендикулярной выделенной поляризации накачки. Интерференционный фильтр (9) задерживает оставшееся излучение накачки.
Рис.3. Оптическая схема для наблюдения параметрического рассеяния.
1. Ar+лазер ; 2. Зеркало ; 3. Диафрагма ; 4. Длиннофокусная линза ; 5. Призма Глана (поляризатор) ; 6. Образец (кристалл) ; 7. Призма Глана (анализатор) ; 8. Трехлинзовая система ; 9 Интерференционный фильтр ; 10. Спектрограф.
Глава 2. Исследование характеристик однородных и слоистых кристаллов ниобата лития с различным содержанием примесей методом спектроскопии СПР.
§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 Dn=ne-no~-0.1. Концентрация примесей (Nd и Mg) была измерена с помощью рентгеновского микроанализа. Однородные кристаллы No.4,5,6выращены вдоль оптической оси Z.
Слоистые кристаллы No.2,3имели форму параллелепипеда. Примесь неодима практически не влияет на значения показателей преломления. Слои параллельны грани
. 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, Dn~10-4 [10]. Для выращивания монодоменных кристаллов, которые имеют слои с однонаправленным вектором спонтанной поляризации, прикладывают небольшое напряжение к образцу.ТАБЛИЦА 1.
| Кристалл LiNbO3 No. | Концентрация магния. NMg ,масс.% | Концентрация неодима. NNd ,масс.% |
| 1 | 0 | 0 |
| 2 | 0.33 | 0.31 |
| 3 | 0.41 | 0.32 |
| 4 | 0.68 | 0 |
| 5 | 0.79 | 0 |
| 6 | 1.04 | 0 |
§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 (No.2,3)в видимом и ближнем ИК диапазоне методом наименьшего отклонения луча, используя гониометр-спектрометр ГС-5. Для этого из части кристалла вырезалась призма. На частоте 1.06 мкм для визуализации излучения использовался прибор ночного видения. Абсолютная ошибка измерения составляла в среднем
0.0002. Значения no и ne являются средними по области кристалла, значительно превышающей период модуляции линейной и нелинейной восприимчивостей. Результаты измерения показателей преломления кристаллов No.5,6 представлены в работе [10]. Значения обыкновенного и необыкновенного показателей преломления в кристалле ниобата лития без примесей No.1 получены в статье [11]. Сравнение полученных данных и результатов работ [10,11] позволяет судить о влиянии примеси на дисперсионные характеристики. На Рис.4,5 приведены зависимости изменения no и ne от концентрации примеси магния на длине волны 546 нм и 1064 нм. Видно, что зависимости имеют одинаковый характер в различных областях спектра, причем наличие примеси неодима в кристаллах No.2,3 не влияет заметно на ход этих кривых.Дисперсионные характеристики no(l) и ne(l) рассматриваемых кристаллов могут быть описаны формулой Селмейера:
, (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 Dno(l) и Dne(l) - отличие дисперсий кристаллов с примесями от дисперсий беспримесного кристалла (рис.6,7), также на графики нанесены экспериментальные точки. Можно заметить, что поведение дисперсии необыкновенного показателя преломления полидоменного кристалла No.2 сильно отличается от хода Dne(l) монодоменных кристаллов. Особенности в спектральном поведении показателя преломления полидоменного кристалла могут быть объяснены влиянием зарядов, находящихся на стенках доменов.
Таблица 2.
Коэффициенты Селмейера кристаллов ниобата лития
с различной концентрацией примеси магния.