Оптическое материаловедение. Активные материалы
.pdf
Парателлурит перспективен для создания акустооптических фильтров. 
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Высокий коэффициент акустооптического |
|
|
|
Направление звуковой волны вы- |
|
|
|
качества парателлурита позволяет, отка- |
|
|
|
бирается так, чтобы касательные к |
|
|
|
завшись от коллинеарности групповых |
|
|
|
поверхностям |
волновых векторов |
|
|
скоростей, сохранить достаточно высо- |
|
|
|
начальной kG |
и дифрагированной |
|
|
кую эффективность дифракции. |
|
|
|
k1 волн были параллельны. |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
В этом случае небольшие изменения направления kG не приводят к изменению условий сохранения импульса.
Волновой вектор звуковой волны, распространяющейся в плоскости (110) и поляризованной по направлению [110], составляет угол 10 град с осью [110].
Отклонение акустического луча на 64,3 град от направления [110] определяется акустической анизотропией парателлурита.
Изменение акустической частоты от 100 до 180 МГц обеспечивает перестройку в интервале длин волн 0,7–0,45 мкм.
Низкая управляющая мощность (95 % прозрачности обеспечивается при
0,12 Вт).
Достоинствами фильтра на парателлурите являются:
относительно широкая угловая апертура (±7 град)
возможность обойтись без анализатора, так как падающий и дифрагированный лучи составляют друг с другом некоторый угол и их можно развести.
Недостатком такого фильтра на парателлурите является низкая разрешающая способность (до 330 нм).
71
Для выращивания парателлурита используется метод Чохральского. 
Шихтой служит диоксид теллура чистотой не менее 99,98 %, который наплавляется в платиновый тигель.
Для понижения осевого температурного градиента при выращивании применяется платиновый экран.
Температурный градиент над поверхностью расплава не должен превышать 80 °С/см, так как повышение его приводит к растрескиванию кристалла и включению газовых пузырей.
Скорость вытягивания ТеО2 может достигать 1,5–2 мм/ч. 
9.4. Ниобат лития
Ниобат лития в качестве материала звукопровода предпочтительнее кристаллического кварца, но по совокупности характеристик уступает парателлуриту.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Nзв |
|
Uзв |
|
|
Е |
|
|
М2, ·10–18 с3/г |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
[001] |
|
[100] |
║ [001] |
|
|
4,66 |
|
|
||||||
|
Акустооптическое качество кварца |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
[001] |
|
[001] |
|
[001] |
|
|
7,25 |
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
[010] |
|
[010] |
║ [010] |
|
|
1,71 |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
[010] |
|
[010] |
║ [001] |
|
|
20,3 |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
Упругооптические |
|
p11 |
p33 |
p44 |
|
p66 |
p12 |
p13 |
|
p14 |
|
p31 |
|
p41 |
|
|||||
|
коэффициенты |
|
0,034 |
0,094 |
0,30 |
|
– |
0,072 |
0,096 |
|
0,066 |
|
0,178 |
|
0,154 |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ниобат лития отличается высокой добротностью, более высоким по сравнению с кварцем акустооптическим качеством и очень малым коэффициентом поглощения звука.
72
9.5. Стеклообразные материалы
Распространенными материалами при изготовлении акустооптических устройств являются стеклообразные материалы.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Простой процесс изготовления. |
|
|
|
|
Высокая оптическая однородность. |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
Стекла имеют преимущества |
|
|
|
|
Возможность изготовить детали |
|
||
|
|
по сравнению с кристаллами: |
|
|
|
|
больших размеров. |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Повышенная стойкость к механическим ударам.
Существенным недостатком стекол является трудность получения коэффициента преломления выше 2,1.
Устойчивость к воздействию атмосферных явлений.
Еще одним недостатком стекол являются заниженные значения фотоупругих постоянных (в среднем на 20 % ниже максимальных значений этих постоянных у кристаллов).
Кроме того, из-за большого коэффициента поглощения звука верхний предел рабочих частот акустооптических модуляторов со стеклянным звукопроводом не превышает 100 МГц.
Из стеклообразных материалов наиболее часто применяются тяжелые флинты в модуляторах видимого диапазона на частотах до 100 МГц.
Невысокий коэффициент качества (М2 = = 3…10) и большое акустическое затухание (3–10 дБ/см при 100 МГц) компенсируются хорошими оптическими свойствами и технологичностью.
73
Акустооптические свойства стекол
|
Диапазон Плотность |
|
Материал |
прозрач- |
материала |
ности, |
ρ·10–3, |
|
|
мкм |
кг/м3 |
ТФ7 |
– |
4,52 |
ТФ10 |
– |
5,19 |
СТФ2 |
– |
6,12 |
As2S3 |
0,6–11 |
3,20 |
As2Se3 |
0,9–11 |
4,64 |
HgAsS2 |
0,64–13 |
|
Ультразвуковая |
|
|
Оптическая волна |
||||||||
|
|
волна |
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Тип колебаний |
|
Скорость v |
|
мдБ·/(ГГц |
|
в |
мкм |
|
n |
|
Поляризация |
|
, |
|
|
|
|||||||
|
Поглощение звукаГ·10 |
|
Длинаволны |
вакуумеλ |
|
Показатель преломления |
|
||||
|
|
с м / |
–2 |
2 |
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
) |
|
|
, |
|
|
|
|
|
|
, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
–3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
·10 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
зв |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
L |
|
3,63 |
220 |
|
0,63 |
|
1,728 |
|
┴ |
||
L |
|
3,7 |
710 |
|
0,63 |
|
1,806 |
|
┴ |
||
L |
|
3,2 |
550 |
|
0,63 |
|
2,16 |
|
┴ |
||
L |
|
2,6 |
170 |
|
0,63 |
|
2,61 |
|
┴ |
||
L |
|
2,25 |
280 |
|
1,15 |
|
2,893 |
|
║ |
||
L |
|
2,43 |
20 |
|
0,63 |
|
2,7 |
|
║, |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
┴ |
Акустооптическое качество М2·10–18,с3/кг
5,12
7,34
9.7
433
1090
1200
Символы z и || обозначают направление поляризации оптической волны, перпендикулярное и параллельное акустическому волновому вектору.
9.6. Примеры реализации акустооптического эффекта
Акустооптический затвор для модуляции добротности лазера. 
74
Если акустооптическую ячейку поместить в резонатор лазера, то при приложении напряжения к преобразователю в резонаторе возникнут дополнительные потери.
При достаточно высоком напряжении эти дополнительные потери могут привести к срыву генерации.
Резко снимая напряжение с преобразователя, можно снова восстановить в лазере высокую добротность резонатора.
Такие модуляторы используются также в качестве активных элементов интегрально-оптических схем.
Планарный модулятор
1 – генератор высокой частоты;
2 – пьезоэлектрическая подложка;
3 – оптический волновод;
4 – встречно-штыревой преобразователь
В планарных модуляторах происходит взаимодействие оптического излучения и поверхностной акустической волны.
75
Лекция 10. ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ
Электрооптическим эффектом называется изменение оптических свойств – показателя преломления, формы и ориентировки оптической индикатрисы – под действием электрического поля.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Изменение |
поляризационных |
кон- |
|
|
|
линейный электрооптический эффект |
|
|
стант твердых диэлектриков |
под |
|
|
|
– эффект Поккельса; |
||
|
действием |
электрического |
поля |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
описывается |
тензорным уравнени- |
|
|
|
|
|
|
|
ем, которое в общем случае имеет |
|
|
|
квадратичный |
электрооптический |
||
|
две составляющие: |
|
|
|
|
эффект – эффект Керра. |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Помимо этих двух эффектов, в жидких кристаллах наблюдается динамический электрооптический эффект, а при действии электрического поля на полупроводники наблюдается эффект Келдыша-Франца, приводящий к смещению границы края полосы поглощения.
Малая инерционность электрооптических эффектов позволяет использовать электрооптические материалы для управления основными параметрами светового пучка:
интенсивностью света
углом преломления на границе кристалла
параметром поляризации
Изменение этих параметров происходит в результате изменения величин и направлений главных осей эллипсоида показателей преломления материала под действием постоянного или переменного электрического поля.
76
10.1. Эффект Поккельса
Эффект Поккельса впервые был изучен Ф. Поккельсом в 1893 г. и представляет собой линейный электрооптический эффект, состоящий в изменении показателей преломления света в кристаллах под действием внешнего электрического поля пропорционально напряженности электрического поля Е.
Квадратичный электрооптический эффект (эффект Керра) много меньше линейного электрооптического эффекта (эффект Поккельса), однако в центросимметричных средах эффект Поккельса обращается в нуль и основную роль играет квадратичный эффект Керра.
Эффект Поккельса может наблюдаться только в кристаллах, не обладающих центром симметрии.
В силу линейности при изменении направления поля эффект Поккельса должен менять знак, что невозможно в централь- но-симметричных телах.
Следствием этого эффекта в кристаллах является двойное лучепреломление или изменение величины уже имеющегося двулучепреломления.
Эффект Поккельса широко применяется при создании различных устройств управления оптическим излучением, таких как модуляторы света, дефлекторы, переключатели оптических каналов и т.п.
Математически эффект Поккельса описывается изменением оптической индикатрисы кристалла – эллипсоида показателей преломления, уравнение которого в главной кристаллофизической системе координат имеет вид
a10 =1 nx2 , a20 =1 n2y , a30 =1 nz2 .
a10 x2 + a20 y2 + a30 z2 =1,
x, y, z – главные оси кристалла, то есть направления, вдоль которых векторы электрического поля Е и электрической индукции D параллельны друг другу; nx, ny, nz – показатели преломления для света, поляризованного вдоль осей х, у и z соответственно.
Величины показателей преломления определяются распределением зарядов внутри кристалла.
77
Наложение внешнего электрического поля, малого по сравнению с внутренним полем кристалла, приводит к перераспределению связанных зарядов и небольшой деформации ионной решетки, что сопровождается изменением показателей преломления и, следовательно, коэффициентов эллипсоида а10, а20, а30.
Главные оси нового эллипсоида в общем случае не будут совпадать с исходными главными осями и уравнение эллипсоида примет вид
В эффекте Поккельса (вследствие линейности эффекта) рассматривается только линейная по полю Е часть изменения коэффициентов эллипсоида, а потому
a1x2 + a2 y2 + a3z2 + 2a4 yz + 2a5xz + 2a6 xy =1.
ak − ak 0 = rk1Ex + rk 2Ey + rk 3Ez |
k = 1, 2...6. |
Коэффициенты rki называются постоянными Поккельса и определяют величину эффекта Поккельса в различных кристаллах.
Симметрия кристалла налагает определенные требования на форму и ориентацию оптической индикатрисы.
Для кубических кристаллов, обладающих симметрией относительно поворотов вокруг трех осей, индикатриса является сферой.
Для кристаллов других типов симметрий (кристаллы дигидрофосфата аммония NH4H2PO4, дигидрофосфата калия KH2PO4 и ниобата лития LiNbO3) индикатриса представляет собой эллипсоид вращения вокруг главной оси симметрии.
|
|
|
|
x2 |
|
y2 |
|
z2 |
|
|
Если ось Z направить вдоль этой оси, то уравнение инди- |
|
|
+ |
+ |
=1. |
|||
|
катрисы будет иметь вид |
|
|
n2 |
n2 |
n2 |
|||
|
|
|
|
o |
|
o |
|
e |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
78
При наложении электрического поля, направленного по оптической оси кристалла (например, LiNb03)
|
Ez = E; |
1 |
+ r13E (x2 + y2 )+ |
1 |
+ r33E z2 =1. |
|
|||||||
2 |
2 |
|
|||||||||||
|
no |
|
ne |
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
∆n |
|
= ∆n |
|
= 0,5n3 |
|
|||
|
Изменение величины показателей преломле- |
|
|
|
x |
y |
r E; |
||||||
|
ния для света, поляризованного в главных |
|
|
|
|
|
|
o |
13 |
||||
|
|
|
|
∆n |
|
= 0,5n3 |
r E. |
||||||
|
направлениях, составляет |
|
|
|
|
z |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
e |
33 |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Если свет распространяется вдоль оси y кристалла, то разность фаз между лучами, поляризованными в главных направлениях, после прохождения пластины толщиной l находится как
∆ϕ = 2λπl (no − ne ) + πλl (no3 r13 − ne3 r33 )E.
Первое слагаемое в этом выражении связано с естественным двулучепреломлением в кристалле, а второе – с линейным электрооптическим эффектом.
Важное свойство эффекта Поккельса – малая инерционность, позволяющая осуществлять мо-
дуляцию света до частот
~1013 Гц.
Кроме того, из-за линейной зависимости между показателем преломления и напряжённостью электрического поля нелинейные искажения при модуляции света относительно невелики.
Малая инерционность позволяет использовать эффект Поккельса для модуляции добротности лазеров, с помощью которой получают световые импульсы сверхбольшой мощности при малой длительности.
Оптические модуляторы на основе эффекта Поккельса содержат ячейку Поккельса, представляющую собой кристалл, помещенный между двумя скрещенными николями.
79
Николи не пропускают свет в отсутствие электрического поля, а при наложении поля пропускание появляется.
Внешнее поле может быть перпендикулярно (поперечный модулятор) или параллельно (продольный модулятор) направлению распространения света.
10.2. Эффект Керра
Эффект Керра был открыт Дж. Керром в 1875 г. и представляет собой квадратичный электрооптический эффект – возникновение двойного лучепреломления в оптически изотропных веществах (газах, жидкостях, кристаллах с центром симметрии, стеклах) под действием внешнего однородного электрического поля.
Оптически изотропная среда, помещенная в электрическое поле, становится анизотропной, приобретает свойства одноосного кристалла, оптическая ось которого направлена вдоль поля.
Разность хода δ световых лучей со взаимно перпендикулярными плоскостями поляризации зависит от длины пути света l в веществе, квадрата напряженности Е электрического поля и специфичной для каждого вещества постоянной Керра В:
δ = 2λπl (ne − no ) = 2πBlE2.
Постоянная Керра В обладает дисперсией (обычно увеличивается при уменьшении λ), может быть положительной и отрицательной, зависит от агрегатного состояния вещества, температуры и структуры молекул.
Постоянная Керра Кµ, отнесенная к 1 молю вещества, связана с главными полуосями ai (i = 1, 2, 3) эллипсоида поляризуемости и компонентами вектора дипольного момента рi частицы (атома, молекулы, комплекса).
|
B |
|
2πN |
A |
|
2 |
|
2 |
|
|
1 |
2 |
2 |
|
|
|
K = |
|
= |
|
|
|
γ |
|
+ |
|
|
|
∑ pi |
ai − p |
a |
, |
|
µ |
9 |
|
45kT |
|
|
2 2 |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
15k T |
|
i |
|
|
|
||||
Т – |
температура; |
k – постоянная Больцмана; NA |
– |
постоянная |
Авогадро, |
a = (a1 + а2 + а3)/3 – средняя поляризуемость; р2 = р2 + р2 + р2 – квадрат диполь- |
|||||
|
|
1 |
2 |
3 |
|
ного |
момента, γ2 = |
[(a1 – а2)2 + (а2 – а3)2 + (а3 – а1)2]/2 |
– |
анизотропия |
поляризуе- |
мости.
80