Электрооптический эффект на квадратичной и кубичной нелинейностях

• Автор: Рапопорт, Инна Владимировна
• Шифр специальности: 01.04.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2000
• Место защиты: Хабаровск
• Количество страниц: 110 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
Глава 1. ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КРИСТАЛЛОВ
1.1. Линейный электрооптический эффект
1.2. Электронная природа преломляющих свойств кристаллов
1.3. Сопутствующие эффекты
1.4. Методы экспериментального исследования
электрооптических эффектов
1.5. Квадратичный электрооптический эффект
1.6. Влияние структуры кристаллов на электрооптические
и нелинейно-оптические свойства
Глава 2. ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ НА КВАДРАТИЧНОЙ
НЕЛИНЕЙНОСТИ
2.1. Электрооптический эффект - частный случай преобразования излучения по частоте
2.2. Влияние компонент тензора электрооптического эффекта
на характер преобразования излучения
2.3. Угловая зависимость эффективности электрооптической
модуляции
2.4. Оценка значений компонент электрооптического тензора на основании нелинейно-оптической восприимчивости кристаллов
2.5. Электрооптическое преобразование излучения
в двухосных кристаллах
2.6. Частотная ширина электрооптического синхронизма
2.6. Электрооптическая модуляция рассеянного излучения
Глава 3. КВАДРАТИЧНЫЙ ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ
НА КУБИЧНОЙ НЕЛИНЕЙНОСТИ
3.1. Компоненты тензора квадратичного электрооптический эффекта
3.2. Частотный спектр излучения, преобразованного
в ячейке Керра
3.3. Электрооптический эффект Керра,
линейная по модулирующему полю
3.4. Спектр излучения, преобразованного в «линейной ячейке Керра»
Глава 4. ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИХ МОДУЛЯТОРОВ
4.1. Спектральные характеристики фазовых модуляторов
4.2. Спектральные характеристики амплитудных модуляторов
4.3. Угловые характеристики фазовых модуляторов
4.4. Угловые характеристики амплитудных модуляторов
Глава 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИХ
СВОЙСТВ КРИСТАЛЛОВ НИОБАТА ЛИТИЯ
5.1. Вольт-амперные характеристики кристалла ЫИЬ03
5.2. Коноскопические фигуры кристалла в электрическом поле
5.3. Наведенная оптическая активность в кристалле 1л№Ю3
5.4. Спектры пропускания кристаллов ниобата лития
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

ВВЕДЕНИЕ
Нелинейные оптические свойства связаны с нелинейной зависимостью поляризации вещества от напряженности электрического, магнитного и акустического полей. К числу первых параметрических нелинейных оптических явлений относятся электрооптические эффекты, возникающие под действием электрического поля. Эти явления были открыты еще в конце XIX века, но их интенсивное изучение началось после создания оптических квантовых генераторов.
Для электро- и упругооптических исследований наиболее широко используются сегнето- и антисегнетоэлектрические кристаллы, в которых можно получить высокие значения поляризации [1,2].
Исследования электрооптических эффектов в кристаллах ведутся в нескольких направлениях и широко освещаются в научной печати. Одним из перспективных направлений является поиск новых материалов, обладающих большими электрооптическими коэффициентами [3]. Такого рода сегнетоэлек-трические кристаллы важны для использования в электрооптических преобразователях, модуляторах и сканирующих устройствах [4]. Одновременно проводятся более детальные исследования электрооптических эффектов в кристаллах в комплексе с сопутствующими эффектами для выяснения микроскопической природы электрооптического эффекта.
Для решения практических задач по модуляции и управлению пространственно-временными параметрами оптического излучения необходимы детальные исследования особенностей и физической сущности соответствующих процессов. Для исследования данных закономерностей чаще всего используется поляризационный метод.
На основе этого метода получены значительные результаты; объяснены механизмы фазовой и амплитудной модуляции, рассмотрены вопросы распространения излучения в кристаллах разных классов симметрии. При таком рассмотрении процессов чаще всего из внимания исследователей выпадает то, что электрооптическая модуляция это нелинейный оптический процесс, происхо-

дящий на квадратичной (эффект Поккельса) или кубичной нелинейностях (эффект Керра).
Упоминание о нелинейно-оптическом процессе электрооптической модуляции имеется практически в любой монографии по электрооптике [2-5] и многих статьях, но систематического рассмотрения электрооптических процессов как нелинейнооптических не проведено. Такое рассмотрение электрооптических процессов является актуальным, так как позволит выявить их своеобразие
и.ряд особенностей и новые закономерности, которые могут быть заложены в основу оптических приборов с улучшенными характеристиками или даже с несуществующими ранее.
Целью исследований является изучение закономерностей и особенностей электрооптической модуляции в кристаллах на квадратичной и кубичной нелинейностях.
Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены следующие задачи:
1. Исследованы особенности распространения и модуляции волн на квадратичной и кубичной нелинейностях в электрооптических кристаллах разных групп симметрии.
2. Рассмотрен характер зависимости интенсивности выходящего из модулятора излучения от типа взаимодействия (о—>е, ео, о—ю е—>е ) и способа модуляции.
3. Изучен спектральный состав преобразованного излучения в случае модуляции высокочастотным и низкочастотным полем.
4. Исследованы характерные особенности проявления электро-оптических эффектов в двухосных кристаллах (на примере кристаллов классов тт2 и 222).
5. Исследованы возможности создания новых электрооптических устройств для фазовой, амплитудной и частотной модуляции основного излучения.
Для достижения поставленной цели и задач использованы теоретические и экспериментальные методы исследования.
Научная новизна и оригинальность работы заключается в следующем:

При приложении к кристаллу постоянного или низкочастотного электрического поля происходигдеформация и поворот оптической индикатрисы за счет изменения поляризационных констант
Аау = — Л Ец. (2.4)

Сечения оптической индикатрисы координатными плоскостями позволяет найти новые главные направления кристалла и соответствующим образом сориентировать поляризационную систему. На данной теоретической основе созданы электрооптические модуляторы излучения по интенсивности; фазовые и частотные модуляторы.
Ниже показано, что теоретические обоснования электрооптической модуляции светового излучения могут быть выполнены на несколько иной основе, на основе нелинейного процесса преобразования излучения по частоте [73].
Данный подход позволяет получить не только традиционные результаты по электрооптической модуляции излучения, но и прояснить в ряде случаев физическую сущность некоторых не ясных моментов, а также предсказать новые возможности создания нетрадиционных электрооптических устройств.
В равенстве (2.3) индекс к соответсвует низкочастотному (или постоянному) электрическому ПОЛЮ Ек, приложенному к кристаллу, индекс у относиться к высокочастотному полю Е1 светового луча, посылаемого в кристалл, а индекс г - высокочастотному полю, выходящего из кристалла луча. То есть вектор Е, направляется вдоль координаты р Индексы 1, ] можно назвать высокочастотным, а индекс к - низкочастотным.
Из равенства (2.3) видно, что в электрическом кристалле происходит смешение низкочастотной волны Ек — Еок со$(£1 -кг) с высокочастотной Е] = Ео2 ««(соД - к/г), падающей на кристалл. В результате появляется волна нелинейной поляризации
которая является источником высокочастотной волны Е, = Еы сс«(<»Д - к2г), выходящей из кристалла.
Действительно, связь поляризации и поля в среде для анизотропных сред выражается уравнениями [1,73]