1.3. Оптические явления в диэлектриках (лекция 3)

Техника связи, приборостроение, электроника и вычислительная техника все в большей степени осваивают оптический диапазон частот электромагнитных волн. В соответствующих устройствах наряду с полупроводниками широко применяются различные диэлектрики, в том числе и с управляемыми оптическими параметрами.

Физические явления, которые при этом используются, весьма многообразны (рис. 6). В основе этих явлений лежит зависимость оптических свойств некоторых прозрачных материалов от направления распространения в них света (анизотропия) и воздействия внешних полей и светового излучения.

Оптическая анизотропия – следствие анизотропии электронной структуры, которая, в свою очередь, определяется кристаллическим строением и физическими свойствами диэлектриков. Эта анизотропия может быть как естественной (присущей равновесному состоянию кристалла), так и индуцированной внешними полями – электрическим, механическим или тепловым. При этом интенсивность света может не иметь принципиального значения или, напротив, играть определяющую роль.

Многочисленные оптические явления в активных диэлектриках обусловлены: естественной анизотропией свойств диэлектрика; воздействием внешних полей; самовоздействием световой волны; появлением инверсной заселенности в лазерных средах; особенностями жидкокристаллического состояния. Кроме того, в активных диэлектриках, как и в обычных, наблюдаются отражение и преломление света, вызванные оптической плотностью среды. Как в анизотропных, так и в изотропных средах происходят рассеяние и поглощение (абсорбция) света, а при изменении частоты световой волны наблюдается дисперсия – изменение коэффициентов преломления, отражения и поглощения света.

Оптические эффекты, обусловленные естественной анизотропией (рис. 6). Многие важные оптические явления имеют место только в анизотропных средах, и часть из них обусловлена естественной анизотропией диэлектрических кристаллов и текстур. Одним из важнейших свойств анизотропной среды является поляризация света. Естественный свет обычно не поляризован, но при его распространении в анизотропном диэлектрике электромагнитные волны возбуждают вторичные осцилляции, интенсивность и полярность которых определяется анизотропией среды, вследствие чего свет приобретает поляризацию.

Рис. 6. Классификация оптических эффектов в диэлектриках

В линейно поляризованной волне колебания электрического вектора происходят в одной плоскости. Круговая поляризация света возникает при сложении взаимно перпендикулярных линейно поляризованных волн одинаковой амплитуды. В случае разных амплитуд этих волн свет, преходящий через анизотропный диэлектрик, оказывается поляризованным эллиптически. Кроме поляризации проходящего и отраженного света в анизотропных оптических средах происходят другие оптические явления, важные для технического использования этих материалов.

Двойное лучепреломление возникает в анизотропных диэлектриках вследствие того, что показатель преломления света зависит от направления его распространения и поляризации. Свет, падающий на оптически изотропные среды (стекла, кубические кристаллы, нетекстурированные полимеры), отражается и преломляется по обычным законам оптики. В случае анизотропных сред (низкосимметричных кристаллов, оптически анизотропных текстур и др.) это справедливо лишь для падения света вдоль главных оптических осей кристалла. Световая волна, падающая под углом к оптической оси, индуцирует в анизотропной среде две волны, поляризованные перпендикулярно друг другу. В одноосных кристаллах скорость одной из этих волн («обыкновенной» волны) не зависит, как и в стеклах, от направления ее распространения. Однако скорость другой («необыкновенной») волны изменяется с направлением, что и приводит к двойному лучепреломлению. В двухосных кристаллах скорость обеих волн зависит от направления их распространения и также наблюдается двулучепреломление. Его можно индуцировать и в изотропных средах электрическим полем или механической деформацией, превращающих среду в оптически анизотропную.

Дихроизм – свойство анизотропных сред по-разному поглощать свет, распространяющийся в разных направлениях, или свет разной поляризации. От направления распространения световой волны зависит, таким образом, не только коэффициент преломления, но и коэффициент поглощения оптических волн. Это явление обусловлено дисперсией (частотным изменением) показателя преломления, которая в анизотропной среде происходит в разных частотных диапазонах – в зависимости от направления распространения света и его поляризации. Дихроизм (в общем случае – плеохроизм) объясняется анизотропией поглощения света.

Вследствие зависимости дисперсии света от поляризации (или от направления распространения света) в анизотропной дихроичной среде возникает анизотропная окраска кристалла или оптической текстуры, что используется, например, для получения цветных изображений на плоских экранах. Как и двулучепреломление, дихроизм используется для получения линейно поляризованного света из неполяризованных световых пучков (с этой целью обычно применяются дихроичные полимерные пленки – поляризаторы).

Дихроизмом некоторых кристаллов и текстур можно управлять с помощью внешних полей.

Гирация, или вращение плоскости поляризации света, является еще одним примером оптических эффектов в анизотропных кристаллах. Плоскость колебания поляризованного светового луча по мере распространения его в оптически активном кристалле изменяет свою ориентацию – вращается. Величина угла гирации зависит от длины пути оптического луча в кристалле и от структуры кристалла. Наибольшей оптической активностью обладают жидкие кристаллы. Объясняется гирация асимметрией электронного строения оптически активной среды: поляризация светового луча вынужденно следует за «винтовым» структурным расположением связанных в молекулах электронов – вторичных осцилляторов, возбуждаемых в кристалле проходящим светом. В некоторых кристаллах гирация может возникать или изменяться во внешних (управляющих) полях.

Влияние внешних полей на оптические свойства диэлектриков

Изменяя расстояния между атомами и молекулами, их взаимодействие, внешние поля управляют оптическими свойствами диэлектриков. Если управляющее поле электрическое, соответствующий эффект называют электрооптическим; при воздействии на диэлектрик механических напряжений, вызывающих деформации, возникают упругооптические эффекты, а вследствие изменения магнитного поля или температуры происходят соответственно магнито- и термооптические явления.

Например, к электрооптическим эффектам относится явление электрогирации – вращение плоскости поляризации света в приложенном электрическом поле. Электрически управляемая оптическая активность может быть как линейной, так и квадратичной и используется для исследования изменения симметрии в кристаллах при фазовых переходах, а также в некоторых оптических устройствах.

Электрическое управление дихроизмом находит широкое применение в разных областях оптоэлектроники. В жидких кристаллах с красителями этот эффект используется для цветного телевидения с плоским экраном. Близким к электродихроизму является электрохромный эффект – электрическое управление коэффициентом поглощения света. В прозрачных поликристаллических сегнетоэлектриках (керамике типа цирконата-титаната свинца-лантана (ЦТСЛ)) электрохромный эффект обусловлен рассеянием света на стенках сегнетоэлектрических доменов: в отсутствие поля свет рассеивается на доменах и керамика непрозрачна, электрическое поле приводит к ориентации и слиянию доменов и к просветлению оптической керамики. Электрохромный эффект используется не только для модуляции света в различных оптических приборах, но и, например, для светозащитных очков с электрическим управлением прозрачностью.

Важнейшими электрооптическими эффектами являются эффекты Поккельса и Керра (линейный и квадратичный). Эффект Керра, как и электрострикция, наблюдается в любых диэлектриках, в то время как эффект Поккельса имеет место только в нецентросимметричных кристаллах (подобно пьезоэффекту). Оба эффекта широко используются в технике оптической связи и приборостроении для модуляции, переключения и других видов электрического управления световыми сигналами. Электрическое поле изменяет также коэффициент отражения света; электроотражение – один из современных методов исследования оптических и динамических свойств кристаллов.

Пьезооптические (или упругооптические) явления возникают при деформации различных диэлектриков. При неоднородной деформации оптически изотропное вещество (стекло или полимер) приобретает анизотропные свойства, а в анизотропных кристаллах деформация изменяет оптические параметры. Поэтому в деформированных диэлектриках изменяются условия распространения света, что может быть использовано в целях управления. Соответствующие пьезооптические коэффициенты весьма велики в кристаллах с высокой упругой податливостью – сегнетоэластиках и параэластиках. Создавая в них упругие волны (в динамическом режиме этот эффект обычно называют акустооптическим), можно изменять направление распространения светового луча: волны деформаций большой амплитуды служат своеобразной дифракционной решеткой. Изменяя частоту и амплитуду упругих волн, можно управлять направлением распространения светового пучка (получать пространственное сканирование), что находит применение в вычислительной технике и других областях электроники. Соответствующее научно-техническое направление – акустооптика – использует дифракцию света на упругих волнах в кристалле как для исследования свойств анизотропных кристаллов, так и для разработки технических приборов – дефлекторов, сканеров, перестраиваемых оптических фильтров и др.

Магнитные воздействия на прозрачные диэлектрики исследуются и используются в магнитооптике. Под действием магнитного поля наблюдается магнитогирация (эффект Фарадея), когда плоскость поляризации линейно поляризованного света вращается, причем угол поворота зависит от величины поля, длины пути светового луча в диэлектрике и свойств диэлектрика. Причиной магнитогирации является изменение в магнитном поле электронных свойств диэлектрика, вследствие чего оптический показатель преломления становится разным для света разной поляризации.

Кроме эффекта Фарадея в магнитооптике исследуются и находят техническое применение линейный и квадратичный магнитооптические эффекты, магнитодихроизм и другие явления, аналогичные электрооптическим. В полупроводниках и диэлектриках с повышенной проводимостью наблюдается также фотомагнитный эффект – появление фото-ЭДС при освещении кристалла в магнитном поле.

Изменения оптических свойств происходят также в температурном поле – в неоднородно нагретых слоях диэлектриков. Соответствующие термооптические эффекты особенно сильно проявляются в жидких кристаллах. На их основе базируется термография и индикация высокочастотных излучений: некоторые жидкие кристаллы изменяют окраску уже при весьма небольшом изменении температуры, причем цветовое изображение на пленке жидкого кристалла соответствует исследуемому тепловому полю.

Оптические эффекты, зависящие от интенсивности света (рис. 6). Под действием света в некоторых диэлектриках изменяется коэффициент оптического поглощения (фотохромный эффект), вследствие чего в освещаемой области диэлектрик изменяет прозрачность и окраску. Спектр оптического поглощения фотохромного диэлектрика изменяется под действием световых квантов за счет фотохимических реакций, перестройки валентных связей между атомами и появления центров поглощения (неорганические вещества) или из-за изменения конфигурации молекул (органические вещества). Из различных фотохромных материалов чаще всего используются силикатные стекла с примесями галогенидов серебра или специальные полимеры.

Фотохромный эффект является обратимым и не требует проявления изображения. Время фотозаписи может быть как большим (до 10⁵ с), так и малым (до 10^–8 с). Время хранения изображения также весьма различается для разных фотохромных материалов. «Стирание» фотохромной записи можно осуществить простым прогревом диэлектрика.

Прозрачность фотохромных диэлектриков автоматически изменяется в зависимости от интенсивности и длительности освещения: например, чем ярче свет, тем менее прозрачным становится материал (эффект «автоматической шторы»). Кроме таких очевидных технических применений, как светозащитные очки и окна с управляемой прозрачностью, фотохромные материалы используются в ряде устройств приборостроения и вычислительной техники (при обработке и записи оптической информации).

Эффект фоторефракции состоит в том, что в весьма интенсивном свете (генерируемом лазером) изменяется оптический коэффициент преломления диэлектрика в местах повышенного уровня освещенности. В мощных импульсах лазерного излучения за счет фоторефракции происходит самофокусировка лазерного пучка, распространяющегося в диэлектрике. В центре луча напряженность светового электрического поля выше и поэтому выше коэффициент оптического преломления (который увеличивается с напряженностью поля).

Для оптоэлектроники большой интерес представляет эффект остаточной фоторефракции, имеющий место только в ацентричных кристаллах в лазерных полях невысокой и средней мощности. Суть этого явления заключается в том, что при воздействии света с энергией фотонов, превышающей пороговую, на примесях или ионах переменной валентности (в частности, ниобия в кристалле, например ниобата лития) происходит перераспределение электрических зарядов, локально изменяющее внутреннее электрическое поле. За счет электрооптического эффекта появляются соответствующие локальные изменения коэффициента преломления. Индуцированное светом «оптическое повреждение» может оставаться в кристалле длительное время; оно стирается прогревом или сплошной засветкой кристалла потоком фотонов с надпороговой энергией. Остаточная фоторефракция используется для обратимой записи оптической информации в объеме кристалла, например, в виде голограмм.

Фотовольтаический эффект заключается в том, что в некоторых кристаллах при освещении (в примесной или собственной области спектра) свет генерирует стационарный фотовольтаический ток, если электроды, нанесенные на диэлектрик, замкнуты. В случае разомкнутых электродов на кристалле возникает фотовольтаическое напряжение. В сегнетоэлектриках это напряжение достигает 10⁴–10⁵ В, т. е. наблюдается аномальный фотовольтаический эффект. Механизм этого эффекта обусловлен фотоэлектронными переходами (обычно с примесных уровней в зону), причем наличие внутреннего поля в окрестности примесных атомов приводит к высокой энергии фотоэлектронов.

Люминесценция возникает в некоторых диэлектриках и полупроводниках в виде вторичного излучения света с частотой, меньшей, чем частота возбуждающего света. Фотолюминесценция обусловлена наличием в диэлектрике примесных центров, поглощающих фотоны падающего света с частотой v, которые возбуждают в диэлектрике нестационарные электронные состояния. Затем происходит релаксация этих состояний и испускание квантов вторичного света на частоте '. Например, кристалл или полимер, поглощающий высокочастотное (невидимое) ультрафиолетовое излучение, может испускать свет в видимом диапазоне. Когда вторичное излучение происходит непосредственно во время облучения диэлектрика более жестким излучением, описанное явление называется флуоресценцией. Если же вторичное излучение происходит со значительной временной задержкой, то эффект называется фосфоресценцией. Оба эти эффекта используются в технике.

Люминесценция может быть следствием не только облучения: источником энергии вторичного излучения может служить электрическое поле (электролюминесценция), упругие волны в кристалле (акустолюминесценция), облучение быстрыми частицами, химические реакции в веществе и др.

Механизм излучения света люминофорами представляет собой квантовые переходы в многоуровневых системах: источник возбуждения переводит электроны некоторых атомов люминофора в возбужденное состояние, которое является метастабильным. Возвращаясь на основной уровень, электроны излучают кванты света – производят люминесценцию.

Принцип действия квантовых генераторов электромагнитных волн (лазеров в оптическом диапазоне и генераторов СВЧ-диапазона) близок к явлению люминесценции. Однако излучение квантового генератора образуется в результате согласованного вынужденного излучения электромагнитных волн во всем объеме активного вещества и поэтому в отличие от люминесценции обладает огромной когерентностью. В создаваемых при этом чрезвычайно высоких плотностях светового потока напряженность электрического поля выше 10⁸ В/см. Такие поля соизмеримы с величиной полей в молекулах и атомах, в результате чего в прозрачных веществах – диэлектрических средах – при взаимодействии с ними наблюдается оптическая нелинейность – зависимость коэффициента преломления от напряженности электрического поля.

К нелинейным оптическим явлениям относится большая совокупность оптических взаимодействий, наблюдаемых в тех случаях, когда оптические поля одного или нескольких лазерных пучков, распространяющихся в материале, достаточно велики, чтобы индуцировать поля поляризации, пропорциональные произведению двух или нескольких взаимодействующих полей. Эти нелинейные поля поляризации излучают на кратных или непрерывно параметрически изменяющихся частотах с амплитудой, возрастающей пропорционально увеличению длины когерентного взаимодействия, т. е. при условии оптического согласования фаз. Таким образом обеспечиваются генерация гармоник основного излучения (при использовании квадратичной и кубической нелинейности), суммовых и разностных частот, сопряжение фаз – обращение волнового фронта, оптическая бистабильность и переключение, параметрическое плавное преобразование частоты и др. Кроме того, к нелинейной оптике относится ряд спектральных эффектов типа когерентного комбинационного антистоксова рассеяния или вынужденного рассеяния Мандельштама – Бриллюэна. Все эти эффекты порознь и в совокупности создают возможность разработки большого многообразия нелинейно-оптических устройств и систем.