Оптическое материаловедение. Активные материалы
.pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
В.С. Постников
ОПТИЧЕСКОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. АКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Курс лекций
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
Издательство Пермского национального исследовательского
политехнического университета
2015
УДК 621.383+666.1/.2.017](078) П63
Рецензенты:
канд. физ.-мат. наук, доцент В.Г. Беспрозванных (Пермский национальный исследовательский политехнический университет);
д-р физ.-мат. наук Л.В. Спивак (Пермский государственный национальный исследовательский университет)
Постников, В.С.
П63 Оптическое материаловедение. Активные материалы : курс лекций / В.С. Постников. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2015. – 163 с.
ISBN 978-5-398-01493-8
Изложены физико-химические свойства стеклообразных и кристаллических активных оптических материалов. На основе понятий физической оптики и физической теории нелинейных оптических процессов рассмотрены оптические нелинейные характеристики стекол и кристаллов и показаны способы реализации этих характеристик в оптических устройствах.
Предназначено для студентов по направлению 200700.62 «Фотоника и оптоинформатика» дисциплины «Лазерные, нелинейные и регистрирующие среды» и по направлению 200700.68 «Фотоника и оптоинформатика» дисциплины «Специальные разделы оптического материаловедения».
УДК 621.383+666.1/.2.017](078)
ISBN 978-5-398-01493-8 |
© ПНИПУ, 2015 |
|
СОДЕРЖАНИЕ |
|
Лекция 1. |
ВВЕДЕНИЕ................................................................................................... |
5 |
|
1.1. Оптическая анизотропия....................................................................... |
5 |
|
1.2. Оптическая активность......................................................................... |
8 |
Лекция 2. |
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЕСТЕСТВЕННОЙ ОПТИЧЕСКОЙ |
|
|
АКТИВНОСТИ........................................................................................... |
10 |
Лекция 3. |
ФЕНОМЕНОЛОГИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ОПТИЧЕСКОЙ |
|
|
АКТИВНОСТИ .......................................................................................... |
17 |
|
3.1. Двулучепреломление в активных веществах.................................... |
18 |
|
3.2. Квантовомеханическая модель оптической активности.................. |
20 |
Лекция 4. |
ХИРООПТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ ............................................................ |
22 |
|
4.1. Дисперсия оптического вращения..................................................... |
22 |
|
4.2. Круговой дихроизм............................................................................. |
25 |
Лекция 5. |
КРИСТАЛЛООПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА |
|
|
МОНОКРИСТАЛЛОВ............................................................................... |
29 |
Лекция 6. |
МЕХАНООПТИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ..................................................... |
39 |
|
6.1. Пьезооптический эффект.................................................................... |
39 |
|
6.2. Акустооптический эффект.................................................................. |
40 |
|
6.3. Реализация акустооптического эффекта........................................... |
43 |
|
6.4. Выбор материала пьезопреобразователя........................................... |
45 |
Лекция 7. |
ТРАДИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ |
|
|
ДЛЯ ПЬЕЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ....................................................... |
47 |
|
7.1. Кристаллический кварц...................................................................... |
48 |
|
7.2. Ниобат лития........................................................................................ |
53 |
Лекция 8. |
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ |
|
|
ДЛЯ ПЬЕЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ....................................................... |
56 |
|
8.1. Танталат лития..................................................................................... |
56 |
|
8.2. Иодат лития.......................................................................................... |
57 |
|
8.3. Титанат свинца .................................................................................... |
59 |
|
8.4. Пьезокерамика..................................................................................... |
60 |
Лекция 9. |
ВЫБОР МАТЕРИАЛА ДЛЯ ЗВУКОПРОВОДА .................................... |
62 |
|
9.1. Традиционные материалы для звукопровода................................... |
64 |
|
9.2. Кварц .................................................................................................... |
66 |
|
9.3. Диоксид теллура.................................................................................. |
67 |
|
9.4. Ниобат лития........................................................................................ |
72 |
|
9.5. Стеклообразные материалы................................................................ |
73 |
|
9.6. Примеры реализации акустооптического эффекта.......................... |
74 |
Лекция 10. |
ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ.................................................... |
76 |
|
10.1. Эффект Поккельса............................................................................. |
77 |
|
10.2. Эффект Керра .................................................................................... |
80 |
|
10.3. Практическая реализация электрооптического эффекта............... |
83 |
|
|
3 |
Лекция 11. ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ............................................... |
87 |
11.1. Дигидрофосфаты калия (KDP) и аммония (ADP) .......................... |
90 |
11.2. Титанил фосфат калия (KТР) ........................................................... |
93 |
11.3. Ниобат лития...................................................................................... |
96 |
Лекция 12. МАГНИТООПТИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ................................................... |
97 |
12.1. Эффект Фарадея ................................................................................ |
98 |
12.2. Феноменологическая теория эффекта Фарадея.............................. |
99 |
12.3. Эффект Коттона–Мутона (Фохта) ................................................. |
100 |
12.4. Реализация магнитооптического эффекта..................................... |
101 |
Лекция 13. МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ МАГНИТООПТИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ......... |
105 |
13.1. Ортоферриты ................................................................................... |
107 |
13.2. Ферриты-гранаты ............................................................................ |
109 |
13.3. Эпитаксиальные магнитооптические среды................................. |
110 |
13.4. Выращивание монокристаллов и эпитаксиальных пленок ......... |
113 |
Лекция 14. НЕЛИНЕЙНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ ........................................ |
117 |
14.1. Эффекты нелинейного преломления............................................. |
118 |
14.2. Сложение частот света.................................................................... |
118 |
14.3. Генерация разностной частоты...................................................... |
123 |
Лекция 15. ПАРАМЕТРИЧЕСКОЕ УСИЛЕНИЕ СВЕТА....................................... |
126 |
15.1. Параметрическая генерация света................................................. |
126 |
15.2. Оптические схемы, реализующие параметрическую |
|
генерацию света...................................................................................... |
129 |
15.3. Перестройка частоты при параметрической генерации света .... |
133 |
Лекция 16. ПРОЦЕССЫ САМОВОЗДЕЙСТВИЯ.................................................... |
135 |
16.1. Фазовая самомодуляция ................................................................. |
135 |
16.2. Самоиндуцированная прозрачность.............................................. |
138 |
16.3. Явление фоторефракции................................................................. |
140 |
Лекция 17. МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ НЕЛИНЕЙНЫХ ЭФФЕКТОВ............................. |
144 |
17.1. Рекомендации по выбору нелинейных кристаллов |
|
для генерации второй гармоники............................................................ |
146 |
17.2. Иодат лития...................................................................................... |
149 |
17.3. Ниобат бария-натрия....................................................................... |
151 |
Лекция 18. НЕКОТОРЫЕ ДРУГИЕ НЕЛИНЕЙНЫЕ КРИСТАЛЛЫ..................... |
154 |
18.1. Ниобат лития.................................................................................... |
154 |
18.2. Бораты бария, лития и цезия-лития............................................... |
155 |
18.3. Титанил-фосфат калия (КТП)......................................................... |
160 |
18.4. Дигидрофосфаты калия и аммония................................................ |
161 |
4
Лекция 1. ВВЕДЕНИЕ
Активными называются оптические материалы, способные управлять параметрами оптического излучения.
для изменения спектральных харакАктивные оптические материа- теристик оптического пучка.
лы используют:
для управления интенсивностью светового пучка.
|
|
|
|
|
|
|
|
для преобразования характера по- |
|
|
|
для изменения ориентации плоскости |
|
|
ляризации оптического пучка. |
|
|
|
поляризации. |
|
Активность оптических материалов определяется их строением и составом. 
Подавляющее большинство активных оптических материалов – анизотропные кристаллы.
Проявлять оптическую активность могут также некоторые изотропные материалы (кристаллы и аморфные вещества) в результате внешнего воздействия.
1.1. Оптическая анизотропия
Оптическая анизотропия – различие оптических свойств среды, связанное с зависимостью скорости световых волн от направления распространения и их поляризации.
Оптическая анизотропия проявляется в двойном лучепреломлении, вращении плоскости поляризации, дихроизме.
Только в исключительных условиях оптическое излучение, имеющее определенную поляризацию и направление, распространяется в оптически анизотропных средах не преобразуясь.
5
В прозрачной оптически анизотропной среде световая волна может быть представлена в виде суперпозиции двух взаимно перпендикулярно поляризованных волн, имеющих разные скорости распространения.
Различают естественную и искусственную оптическую анизотропию. 
Естественная оптическая анизотропия кристаллов обусловлена анизотропией силового поля, объединяющего атомы вещества в кристаллическую решетку.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
с асимметричным строением отдельных |
|
|
|
|
|
молекул таких веществ и различием во |
|
|
Естественная оптическая ани- |
|
|
взаимодействии этих молекул с излучени- |
|
|
зотропия веществ, проявляю- |
|
|
ем различных поляризаций. |
|
|
щих ее в любом агрегатном |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
состоянии, связана: |
|
|
с особенностями возбужденных состояний |
|
|
|
|
|
электронов и «остовов» в оптически ак- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
тивных кристаллах. |
|
|
|
|
|
|
|
В макрооднородной оптической среде оптическая анизотропия обусловлена локальной электрической анизотропией, то есть несовпадением направления вектора напряженности электрического поля световой волны в локальной области с направлением наведенного в этой области вектора поляризации.
Локальная анизотропия проявляется в малых по сравнению с длиной волны света объемах вещества.
В рамках этих представлений все характеристики оптически анизотропной макрооднородной оптической среды определяются комплексным тензором диэлектрической проницаемости εjl, связывающим компоненты гармоники вектора электрической индукции (электрического смещения) Re(D·eiωt) с компонентами гармоники вектора напряженности электрического поля Re(E·eiωt) соотношением:
Dj = ε0 ∑εjl El , |
где j, l = х, у, z – индексы проекций векторов D и E на коор- |
l |
динатные оси; по повторяющимся индексам производится |
|
суммирование. |
Симметрия тензора εjl позволяет произвести классификацию оптически анизотропных сред.
6
|
|
|
εjl = ε*lj . |
|
При слабом поглощении света веществом тензор эрмитов |
|
|
|
|
|
|
Если тензор диэлектрической проницаемости εjl не содержит комплексной компоненты, что соответствует оптически неактивному материалу (синфазность векторов поляризации и напряженности), то оптическую среду можно характеризовать тремя величинами εk (k = 1, 2, 3), которые определяют диэлектрические свойства среды вдоль трех ортогональных диэлектрических осей.
Если хотя бы одно значение εk отличается от двух других, то в среде есть выделенное направление, называемое оптической осью, вдоль которой скорость распространения света не зависит от его поляризации (одноосная среда).
Если все значения εk различны, то среда обладает двумя оптическими осями и называется двуосной.
В таких средах оптическая анизотропия проявляется в виде двойного лучепреломления (двулучепреломления).
В общем случае оптические оси не совпадают с диэлектрическими. 
Если в оптической среде тензор εjl – величина комплексная, что указывает на сдвиг по фазе между векторам напряженности и индукции, то такая среда считается оптически активной (явление гиротропии).
При изотропности вещественной части тензора εjl (Re(εjl) = ε·δjl) волны круговых поляризаций распространяются в оптической среде не преобразуясь, а плоскость поляризации линейно поляризованных волн поворачивается независимо от направления их распространения.
Оптическая активность связана с локальным «кручением» структуры вещества, которое характеризуется псевдовектором.
В немагнитных средах оптическая активность представляет собой проявление пространственной дисперсии, причем направление псевдовектора зависит от направления распространения света, а «кручение» определяет псевдотензор, значение которого зависит от степени локальной зеркальной диссимметрии среды (молекул).
7
Поглощение света в среде описывается антиэрмитовой частью тензора εjl.
От симметрии этой части тензора εjl зависит проявление дихроизма и плеохроизма (зависимость поглощения света от его поляризации).
Оптическая анизотропия структурно изотропных материалов может создаваться искусственно при внешнем воздействии.
Оптически изотропные вещества становятся оптически анизотропными в результате:
одностороннего сжатия или растяжения (кристаллы кубической системы, стекла, пластмассы);
воздействия электрического поля (эффекты Поккельса и Керра; жидкости, аморфные тела, газы);
воздействия магнитного поля (жидкости, стекла, коллоиды).
В этих случаях изотропное вещество приобретает свойства одноосного кристалла, оптическая ось которого совпадает с направлением деформации, электрического или магнитного полей.
1.2. Оптическая активность
Оптическая активность – способность среды вызывать вращение плоскости поляризации проходящего через неё оптического излучения.
Оптически активные вещества подразделяются на два типа.
Вещества, относящиеся к 1-му типу, оптически активны только в кристаллической фазе (кварц, киноварь).
Вещества, относящиеся ко 2-му типу, оптически активны в любом агрегатном состоянии (сахара, камфора, винная кислота).
8
У веществ 1-го типа оптическая активность обусловлена асимметричным строением кристалла, асимметрией поля сил, связывающих частицы в кристаллической решетке, при одинаковости самих частиц, у веществ 2-го типа – асимметричным строением их молекул.
Кристаллы оптически активных веществ всегда существуют в двух формах – правой и левой.
Решетка правого кристалла зеркально симметрична решетке левого и никакими поворотами и перемещениями не может быть пространственно совмещена с нею.
Молекулы правого и левого оптически активного вещества 2-го типа являются оптическими изомерами: они сами (а не образованные из них кристаллы) представляют собой зеркальные отражения друг друга.
Их можно отличить одну от другой, в то время как молекулы оптических антиподов (оптически активные вещества 1-го типа) просто неразличимы (идентичны).
Физические и химические свойства чистых оптических изомеров совершенно одинаковы в отсутствие какого-либо асимметричного агента, реагирующего на зеркальную асимметрию молекул.
Оптическая активность правой и левой форм оптически активных веществ 1-го типа имеет разные знаки (и одинакова по абсолютной величине при одинаковых внешних условиях), поэтому их называют оптическими антиподами.
9
Лекция 2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЕСТЕСТВЕННОЙ ОПТИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ
Оптическая активность – спо-
собность диэлектрической среды вызывать вращение плоскости поляризации проходящего через нее линейно поляризованного света.
Поворот плоскости поляризации света в активной среде происходит либо против часовой стрелки
(φ > 0 |
– положительное |
враще- |
ние), |
либо по часовой |
стрелке |
(φ < 0 |
– отрицательное |
враще- |
ние), если смотреть по направлению распространения волны.
Оптическая активность веществ была обнаружена в 1811 г. французским физиком Араго в кристаллическом кварце.
Оптически активные вещества применяют в оптических приборах и устройствах для поворота плоскости поляризации, в качестве фазосдвигающих пластинок, в полутеневых устройствах, модуляторах.
Позднее (в 1815 г.) Био обнаружил ее у чистых жидкостей (скипидара), а затем растворов и паров многих, главным образом органических, веществ.
В соответствии с законом Био угол поворота плоскости поляризации
ϕ в кристаллах и чистых жидкостях линейно зависит от толщины ϕ = αl. слоя l активного вещества
Коэффициент α, численно равный углу поворота плоскости поляризации света слоем вещества единичной толщины, является мерой оптической активности вещества и называется постоянной вращения (вращательной способностью).
10