Спектроскопия поляритонных и поляронных возбуждений в легированных кристаллах ниобата лития

• Автор: Кузнецов, Кирилл Андреевич
• Шифр специальности: 01.04.21
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 138 с. : ил

Введение
ОГЛАВЛЕНИЕ

Глава 1. Взаимодействие электромагнитного излучения с поляритонными и поляронными возбуждениями в кристаллах

§1. Процессы рассеяния света на фононных поляритонах
1.1. Дисперсия объемных и поверхностных фононных
поляритонов
1.2. Методы исследования поляритонов
1.2.1. Спонтанное параметрическое рассеяние (СПР) и рассеяние света на равновесных поляритонах
(РСП)
1.2.2. Активная спектроскопия объемных поляритонов
1.2.3. Активная спектроскопия поверхностных поляритонов
§2. Взаимодействие электромагнитного излучения с поляронами
2.1. Краткие сведения о механизме образования
поляронов
2.2. Взаимодействие поляронов с электромагнитным излучением и методы их оптической диагностики
Глава 2. Исследование точечных дефектов структуры и поляронов в легированных кристаллах ниобата лития оптическими методами
§1. Кристаллическая структура и оптические свойства ниобата лития (по литературе)
1.1. Структурные дефекты в номинально чистых кристаллах
ниобата лития
1.2. Фоторефрактивные свойства кристаллов ниобата лития
1.1 ЫЬОз
1.3. Влияние структурных дефектов на оптические свойства
легированных кристаллов LiNЪOз:Mg
1.4. Поляроны в кристаллах ЫЫЬОз и 1лМЮз:М§
§2. Исследование структурных дефектов в легированных кристаллах ниобата лития оптическими методами в видимом и инфракрасном диапазонах
2.1. Принципы анализа концентрационных и дисперсионных
зависимостей диэлектрической проницаемости легированных кристаллов 1л№>Оз:Мё
2.2. Исследование дисперсии показателей преломления
кристаллов LiNbOз:Mg в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах

2.3. Исследование дисперсии диэлектрической проницаемости кристаллов 1лМЬОз:1У^ в инфракрасном диапазоне
2.3.1. Установка для наблюдения спонтанного параметрического рассеяния света: СПР-
спектрометр
2.3.2. Исследование кристаллов 1л1ЧЬОз:1У^ методом СПР-спекгроскопии
2.3.3. Исследование кристаллов 1лМЬОз:1У^ методом Фурье-спектроскопии
2.4. Возможные механизмы включения примеси в
кристаллическую структуру ниобата лития
§3. Исследование поляронов малого радиуса в номинально чистых и легированных кристаллах ниобата лития
3.1. Спектры поглощения нередуцированных и химически редуцированных кристаллов 1лМ)Оз:1У^ в видимом и инфракрасном диапазонах
3.2. Определение основных параметров, характеризующих свойства поляронов в кристаллах иЫЬОз:!^
Глава 3. Спектроскопия поляритонных возбуждений в кристаллах ниобата лития
§1. Исследование поляритонов в кристаллах 1л№>Оз:М^ методом
спонтанного рассеяния света
§2. Исследование поляритонов в кристаллах УМЪОз:!^ методом активной спектроскопии четырехволнового рассеяния света
2.1. Экспериментальная установка для исследования поляритонов методом каскадного когерентного четырехволнового рассеяния света
2.2. Поляритонные линии рассеяния в нередуцированных и химически редуцированных кристаллах ЬПМЬСуГуу
2.3. Исследование влияния поляронов на дисперсию линейной и нелинейной оптических восприимчивостей
Заключение
Приложение
Список литературы

ВВЕДЕНИЕ
Диссертационная работа посвящена комплексному экспериментальному исследованию поляригонных и поляронных возбуждений в легированных монокристаллах ниобата лития иМЮз:?^.
Электромагнитная волна в среде взаимодействует с дипольно-активными колебаниями кристаллической решетки, если частота волны близка к частотам фононов. Фотон-фононное взаимодействие приводит к образованию поляритонов - возбуждений смешанной электромагнитно-механической природы. Дисперсия поляритонов чрезвычайно чувствительна даже к очень малым изменениям параметров кристаллической решетки, поскольку она зависит от параметров фононной подсистемы кристалла.
Если в зоне проводимости кристалла появляются свободные электроны, то они взаимодействуют с фононами. Если это взаимодействие достаточно сильное, то электроны локализуются в кристалле, и образуются поляроны. Электрон-фононное взаимодействие, приводящее к перенормировке электронных спектров, должно приводить и к изменению фононных характеристик, т.к. за счет образования поляронов меняются силы связи между ионами кристаллической решетки. При этом также могут изменяться константы затухания фононов, их частоты и силы осцилляторов, возможно появление дополнительных локальных решеточных колебаний. Кроме того, электрон-фононное взаимодействие может влиять и на ангармонизм кристаллической решетки. Отклик поляронов на электромагнитное излучение в спектральной области вдали от фононных резонансов достаточно полно теоретически и экспериментально исследован, применительно к самым различным случаям и кристаллическим средам. В то же время, ощущается недостаток работ, посвященных исследованиям отклика кристаллов, содержащих поляроны, на электромагнитное поле в фононной области спектра. Малоисследованными остаются также вопросы о влиянии поляронов на ангармонизм колебаний решетки. В связи с этим, особенно актуально использование методов нелинейной лазерной спектроскопии рассеяния света, дающих информацию о дисперсии среды в далеком ИК-диапазоне спектра. Вместе с тем лазерное воздействие, в свою очередь, может изменять состояние среды. Поэтому представляет интерес анализ условий, в которых существующие спектроскопические методы применимы для исследования элекгрон-фононного взаимодействия и являются невозмущающими.
Исследования поляронных и поляригонных возбуждений проводились в кристаллах ниобата лития. Уникальные свойства

1.2.3. Активная спектроскопия поверхностных поляритонов
В этом разделе приводится краткий обзор теоретических и экспериментальных работ по активной спектроскопии поверхностных поляритонов. Первые эксперименты в этой области проводились группой ДеМартини с фононными [32] и экситонными [33] поверхностными поляритонами. По-видимому, в связи с явным недостатком экспериментальных работ в области активной спектроскопии поверхностных волн (пионерские работы ДеМартини были выполнены в середине 70-х годов и остаются, вероятно, единственными на настоящее время), представляет интерес детальный анализ возможности наблюдения четырехволнового рассеяния света с участием поверхностных поляритонов. В конце этого раздела на основании теории, развитой в работе [35], проведены оценки этого эффекта применительно к кристаллу фосфида галлия.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ
В первых теоретических работах, посвященных нелинейнооптическим методам исследования поверхностных поляритонов (ПП), основное внимание уделялось спонтанному рассеянию на ПП [34]. Основной недостаток этого метода в экспериментальном отношении -крайне низкая интенсивность рассеянного излучения на равновесных ПП. Позднее появился ряд теоретических работ посвященных активной спектроскопии ПП [35-37]. Так, в [37] авторы исходили из теоретического рассмотрения задачи о взаимодействии электромагнитных волн на границе нелинейной среды, предложенного в работе Бломбергена и Першана [38]. Ахмедиев в своей работе [36] использовал аппарат функций Грина уравнений Максвелла для полубесконечного образца. Лихолит, Стрижевский и Яшкир [35] использовали флуктуационно-диссипационную методику, развитую ими применительно к задаче о спонтанном рассеянии света на ПП в [34].
Рассмотрим основные результаты, следующие из [35]. Пусть граница раздела совпадает с плоскостью 2=0, граничащие среды будем полагать изотропными. Предположим, что на границах этих сред могут существовать ПП. Пусть оптической нелинейностью обладает лишь среда в области />0 (среда 1). Диэлектрические проницаемости сред 1 и 2 обозначим через д, и е2. Предполагается, что бигармоническая заданная накачка, содержащая излучение с частотами а>1 и со2, возбуждает на поверхности раздела за счет нелинейного взаимодействия волну ПП с частотой о = сох-<х>2. Далее пробная волна с частотой соп рассеивается на когерентных ПП. В результате возникают антистоксовая и стоксовая волны с частотами