Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Пьезомодуляционный метод исследования ориентации и природы элементарных осцилляторов в кубических кристаллах 14
1.1. Методы исследования ориентации и природы элементарных осцилляторов 14
1.2. Расчетно-теоретическое обоснование пьезомодуляционного метода 22
1.2.1. Линейные электрические диполи направлены по осям симметрии Сг 27
1.2.2. Линейные электрические диполи направлены по осям симметрии Сз 28
1.2.3. Электрические ротаторы направлены по осям симметрии Сз 29
1.3. Экспериментальная апробация пьезомодуляционного метода 29
1.4. Обсуждение результатов и выводы 26
Глава 2 Исследование аксиального распределения интенсивности рассеяния возбуждающего излучения с фемтосекундным временем продольной когерентности в кубических кристаллах с наведенной анизотропией 39
2.1. Фотоупругость и основные закономерности рассеяния поляризованного оптического излучения в кристаллах с наведенной анизотропией 39
2.2. Моделирование рассеяния широкополосного возбуждающего излучения в кубических кристаллах с наведенной анизотропией 50
2.2.1. Постановка задачи и математическое обоснование предлагаемой модели 50
2.2.2. Компьютерное моделирование дисперсии рассеяния фемтосекундных импульсов в анизотропной кристаллической среде 55
2.3. Экспериментальное исследование аксиального распределения интенсивности рассеяния возбуждающего излучения с фемтосекундным временем когерентности 60
2.3.1. Описание эксперимента
2.3.2. Результаты экспериментальных исследований 61
2.4. Обсуждение результатов исследования и выводы 63
Глава 3 Исследование влияния дисперсионного расплывания фемтосекундных импульсов на измерение времени когерентности в кристаллическом интерферометре 67
3.1. Понятие когерентности. Интерференционные методы измерения временной когерентности 67
3.2. Интерференция поляризованных лучей 77
3.3. Описание и принцип работы сканирующего поляризационного интерферометра 80
3.5. Исследование влияния дисперсии кристаллической среды интерферометра на результат измерений времени когерентности 85
3.6. Обсуждение результатов и выводы 89
Заключение 116
Литература 119
- Расчетно-теоретическое обоснование пьезомодуляционного метода
- Экспериментальная апробация пьезомодуляционного метода
- Моделирование рассеяния широкополосного возбуждающего излучения в кубических кристаллах с наведенной анизотропией
- Интерференция поляризованных лучей
Введение к работе
Актуальность и состояние проблемы
Эффективность взаимодействия оптического излучения с конденсированной средой в значительной мере определяется типом (мультипольностью) и ориентацией элементарных осцилляторов, характеризующих квантовые системы, взаимодействующие с излучением [1]. Например, при электродипольном взаимодействии энергия взаимодействия оптического излучения с центрами люминесценции зависит от ориентации электрического вектора поля и вектора электрического дипольного момента элементарного осциллятора, связанного с квантовыми переходами, ответственными за поглощение и испускание света в центрах люминесценции. Для исследования природы и ориентации поглощающих и излучающих осцилляторов, которыми моделируются переходы в центрах окраски, используются методы поляризованной люминесценции. Необходимо отметить, что подобные исследования достаточно трудоемки и не всегда дают однозначные результаты, поэтому задача разработки новых методов определения мультипольности и ориентации элементарных осцилляторов до сих пор актуальна.
Известно, что при линейном взаимодействии поляризованного оптического излучения с кристаллами средней категории, содержащими анизотропные центры, обладающие дипольным моментом перехода, ориентированным под острым углом к оптической оси, аксиальное пространственное распределение интенсивности люминесценции имеет периодический характер [2]. Механизм эффекта пространственно-периодической модуляции интенсивности люминесценции хорошо изучен. Условием образования пространственных осцилляции поглощенной в линейном режиме мощности и энергии излучения является отклонение главных осей тензоров диэлектрической проницаемости и электрической восприимчивости, содержащихся в кристалле центров окраски и
периодическим изменением состояния поляризации излучения, распространяющегося в двулучепреломляющем кристалле [2,3]. Сам факт изменения состояния поляризации давно известен и проявляется, в частности, в экспериментах Фрохта по изучению рассеяния света [4].
Экспериментальные исследования пространственной модуляции интенсивности люминесценции в облученных кристаллах MgF2 и АЬОз показали, что глубина модуляции зависит от взаимной ориентации вектора дипольного момента относительно оптической оси кристалла и электрического вектора возбуждающего излучения. В работе [5] указывается, что характерный вид пространственной зависимости интенсивности люминесценции определяется типом элементарного осциллятора. Указанные исследования позволили сформулировать новый метод определения ориентации и природы элементарных осцилляторов, связанных с квантовыми переходами в центрах люминесценции, основанный на использовании пространственных зависимостей интенсивности люминесценции кристаллов. Однако данный метод ранее был развит только для анизотропных кристаллов, а возможность образования пространственно-периодической модуляции интенсивности люминесценции в кубических кристаллах с наведенной тем или иным способом анизотропией до начала наших исследований не изучалась.
Аксиальное пространственное распределения интенсивности люминесценции анизотропных сред определяется рядом факторов, относящихся как к возбуждающему оптическому полю, так и к самой среде, взаимодействующей с этим полем. В этом сложном явлении сочетаются: во-первых - пространственная динамика изменения состояния поляризации и спектра возбуждающего излучения при его распространении в среде и, во-вторых - процессы возбуждения и высвечивания энергии квантовыми системами, содержащимися в исследуемой среде. Для изучения и понимания этого сложного явления, особенно в нестационарных условиях (при фемтосекундном возбуждении), целесообразно, по-возможности, разбить его
7 на более простые составные части и изучать их раздельно. Для этого в диссертации исследована среда не содержащая центров люминесценции, в которой в более чистом виде можно изучать динамику пространственного изменения поляризации и спектра возбуждающего оптического излучения. Вместе с тем, для удобства экспериментального исследования свойств распространяющегося в этой среде излучения в нее дополнительно введены центры рассеяния, отводящие малую часть излучения к наблюдателю (прибору). Индуцируемые в анизотропных средах пространственно-периодические зависимости интенсивности рассеяния обусловлены интерференцией рассеянных в направлении наблюдения поляризованных колебаний обыкновенного и необыкновенного лучей и, следовательно, связаны с изменениями пространственного распределения интенсивности, поляризации, а в ряде случаев и частоты оптического излучения. Этот методический прием был реализован для исследования динамики пространственного изменения поляризации и спектра возбуждающего оптического излучения с фемтосекундным временем продольной когерентности.
При нестационарном возбуждении люминесценции в анизотропных кристаллах амплитуда пространственных осцилляции интенсивности люминесценции затухает с расстоянием, а постоянная затухания связана с временными параметрами импульса (временем продольной когерентности) [6]. В связи с этим возникает необходимость проведения дополнительных исследований возбуждающего излучения с целью определения времени его продольной когерентности.
Для определения степени временной когерентности различных источников излучения, как правило, используются методы двухлучевой интерференции, основанные на анализе интерференционных картин, наблюдаемых в результате сложения двух волн исходящих от одного источника, но с временным запаздыванием. В общем случае, регистрируемая интерферограмма представляет собой автокорреляционную функцию (АКФ)
8 первого порядка, конкретный вид которой определяется характеристиками источника излучения и позволяет определять время когерентности излучения.
В настоящее время наиболее распространенным методом измерения АКФ первого порядка является интерференционный метод, осуществляемый в обычном интерферометре Майкельсона, в котором переменная оптическая задержка, как правило, создается при линейном перемещении в одном из плеч зеркала или уголкового отражателя. Одним из существенных недостатков автокорреляторов, построенных на основе интерферометра Майкельсона, является необходимость их точной настройки. Фактически необходимо обеспечить точность положения зеркал интерферометра в пределах значительно меньших длины волны исследуемого излучения. Кроме этого существует другая проблема, связанная с влиянием флуктуации положения зеркал при сканировании или при неизбежных вибрациях. Это влияние максимально при больших разностях хода и проявляется в дополнительной паразитной модуляции АКФ. Поэтому, задача разработки новых простых и надежных автокорреляционных устройств, позволяющих проводить измерения времени когерентности различных источников излучения, в том числе и в фемтосекундном временном диапазоне, до сих пор актуальна.
Нами был разработан оригинальный фемтосекундный поляризационный интерферометр, основанный на использовании анизотропной среды с управляемой толщиной, и проведен анализ влияния дисперсионного расплывания ультракороткого импульса, обусловленного кристаллическими элементами устройства на результат измерения времени продольной когерентности.
Таким образом, обоснована задача исследования аксиальных зависимостей интенсивности люминесценции и рассеяния возбуждающего излучения в кубических кристаллах с наведенной анизотропией при стационарных и нестационарных условиях возбуждения. Подобного рода
исследования весьма актуальны и могут дать информацию: в первом случае о характеристиках квантовых систем, взаимодействующих с оптическим излучением; во втором - о пространственной динамике изменения поляризации и спектра возбуждающего излучения, обусловленной кристаллической средой.
Задача работы
Теоретическое и экспериментальное исследование возможности реализации пространственно-периодического взаимодействия ориентированных центров люминесценции с поляризованным излучением в кубических кристаллах с наведенной тем или иным способом анизотропией и изучение возможности определения ориентации и типа элементарных осцилляторов центров окраски по параметрам индуцируемых в них пространственно-периодических зависимостей интенсивности люминесценции.
Расчетно-теоретическое и экспериментальное исследование пространственных зависимостей интенсивности и спектров рассеяния возбуждающего поляризованного фемтосекундного оптического излучения в замутненных кубических кристаллах с наведенной анизотропией.
Анализ влияния дисперсионного расплывания ультракороткого импульса на измерение автокорреляционной функции первого порядка, в разработанном оригинальном фемтосекундном интерферометре, основанном на использовании анизотропной среды переменной толщины.
Научная новизна работы
1. Впервые показано, что в кубических кристаллах, с наведенной путем одноосного сжатия анизотропией, при взаимодействии поляризованного излучения с центрами люминесценции аксиальное распределение интенсивности может иметь пространственно-периодический характер, при условии, что угол между направлением приложения
10 механического напряжения и характерной осью симметрии центров не равен 0 или nil. Экспериментально показана возможность определения ориентации и типа элементарных осцилляторов центров окраски кубических кристаллов по параметрам индуцируемых в них периодических структур. Предложен пьезооптический модуляционно-люминесцентный метод исследования ориентации и типа элементарных излучателей в кубических кристаллах. В частности этим методом установлено, что элементарным осциллятором F3+-центра в облученном кристалле LiF является ротатор.
В результате компьютерного моделирования и экспериментальных исследований установлено, что дисперсия света при рассеянии фемтосекундных импульсов обусловлена сдвигом фаз интерференционных картин, соответствующих различным спектральным компонентам падающего излучения.
Теоретические и экспериментальные исследования показали, что при использовании фемтосекундного кристаллического интерферометра для измерения времени когерентности фемтосекундных импульсов дисперсионное расплывание импульса не оказывает влияние на результат измерения автокорреляционной функции первого порядка.
Практическая значимость работы
Разработаны экспериментальные средства для реализации нового пьезооптического модуляционно-люминесцентного метода исследования ориентации и типа элементарных излучателей в кубических кристаллах.
Создан оригинальный фемтосекундный кристаллический интерферометр, основанный на использовании кристаллической анизотропной среды с управляемой толщиной. Данный интерферометр может быть использован для измерения времени продольной когерентности как фемтосекундных лазерных импульсов, так и стационарных световых полей от хаотических источников.
11 Основные защищаемые положения
В кубических кристаллах, с наведенной путем одноосного сжатия анизотропией, при взаимодействии поляризованного излучения с центрами люминесценции аксиальное распределение интенсивности может иметь пространственно-периодический характер, при условии, что угол между направлением приложения механического напряжения и характерной осью симметрии центров не равен 0 или л/2.
Характеристики пространственно-периодических зависимостей интенсивности люминесценции квантовых систем в кубических кристаллах с наведенной анизотропией отражают ориентацию и тип элементарных осцилляторов, связанных с оптическими переходами в этих квантовых системах, что служит обоснованием нового пьезооптического люминесцентного метода определения мультипольности и ориентации осцилляторов. В частности, этим методом доказано, что элементарным осциллятором, ответственным за переходы в Рз+-центрах в облученных кристаллах LiF, является ротатор.
Дисперсия света, наблюдаемая при рассеянии поляризованного оптического излучения с фемтосекундным временем продольной когерентности в анизотропных кристаллах, содержащих электродипольные светорассеивающие частицы, обусловлена сдвигом фаз интерференционных картин различных спектральных составляющих рассеянного излучения и несет в себе информацию о пространственной динамике изменения поляризации и спектра излучения кристаллической средой.
Дисперсионное расплывание фемтосекундных импульсов не влияет на результат измерения автокорреляционной функции первого порядка этих импульсов в интерферометре, основанном на использовании кристаллической анизотропной среды с управляемой толщиной.
Апробация работы
Основные результаты работы доложены и обсуждены на следующих конференциях и семинарах: IV, V, VI и VII Всероссийских школах-
12 семинарах "Люминесценция и сопутствующие явления" ( Иркутск, Россия, 1998, 1999, 2000 и 2001 гг.); 11~ и 12ш International conference on radiation physics and chemistry of inorganic materials (Tomsk, Russia, 2000 и 2003гг.); VIII Международной школе-семинаре «Люминесценция и лазерная физика» (Иркутск, Россия, 2002 г.); IX Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых. (Красноярск, Россия, 2003 г.), на научных семинарах Иркутского филиала Института лазерной физики СО РАН и лаборатории люминесценции кристаллов и физики лазерных сред НИИ Прикладной физики Иркутского государственного университета.
Публикации
Результаты работы по теме диссертации опубликованы в семнадцати научных публикациях, включая двенадцать статей [7-18] и тезисы трех докладов всероссийских и международных научных конференций [19-21], а также одно свидетельство на полезную модель, выданное Российским агентством по патентам и товарным знакам [22].
Структура и объем диссертации
Диссертация содержит 132 страницы, иллюстрируется 32 рисунками, включает 7 таблиц и состоит из введения, трех глав, четырех приложений, раздела "Заключение" и списка цитируемой литературы из 140 наименований.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы исследований, сформулированы цель и задачи работы, основные защищаемые положения, показана научная новизна и практическая ценность полученных результатов, дана краткая аннотация работы.
В первой главе решается задача расчетного и экспериментального исследования возможности реализации пространственно-периодического взаимодействия ориентированных центров люминесценции с поляризованным излучением в кубических кристаллах с наведенной тем или иным способом анизотропией и изучение возможности определения ориентации и типа элементарных осцилляторов центров окраски по параметрам индуцируемых в них периодических структур.
Во второй главе методом компьютерного моделирования исследуется пространственная динамика изменения поляризации и спектра фемтосекундного возбуждающего излучения, обусловленная свойствами кристаллической среды, при его рассеянии в замутненных кубических кристаллах с наведенной анизотропией, а также проводится экспериментальная проверка полученных результатов.
В третьей главе рассматриваются принципы построения и работы, разработанного фемтосекундного кристаллического интерферометра и проводятся исследования влияния дисперсионного расплывания ультракороткого импульса на измерение времени когерентности.
Расчетно-теоретическое обоснование пьезомодуляционного метода
Аксиальное пространственное распределение интенсивности люминесценции кубических кристаллов обычно определяется ослаблением интенсивности возбуждающего излучения в результате его поглощения и в линейном режиме, как правило, следует закону Бугера-Ламберта-Бера [69]. В кристаллах с более низкой симметрией, обладающих оптической анизотропией, состояние поляризации возбуждающего излучения изменяется при распространении в кристалле [3]. Поэтому, соответственно, изменяется и эффективность взаимодействия такого излучения с центрами люминесценции, что сказывается на виде зависимости интенсивности люминесценции от расстояния вдоль направления распространения возбуждающего излучения [68]. Энергия взаимодействия оптического излучения с центрами люминесценции зависит от взаимной ориентации векторов поля и элементарных осцилляторов. В частности, при электродипольном взаимодействии существует зависимость от ориентации электрического вектора поля Е и вектора электрического дипольного момента р элементарного осциллятора, связанного с квантовыми переходами, ответственными за поглощение и испускание света в центрах люминесценции. Обычно вектор /л ориентирован по направлению характерной оси центров люминесценции в кристалле. Количество таких направлений, по которым ориентированы векторы дипольного момента центров люминесценции // и их распределение в пространстве, определяются симметрией кристалла, в котором эти центры содержатся. Известно, что ориентация центров в кубических кристаллах может осуществляться в первую очередь вдоль поворотных осей симметрии второго, третьего и четвертого порядков [46]. Для кристаллов с одной оптической осью (кристаллы средней категории симметрии) распределение возможных ориентации центров должно быть осесимметричным, а число таких ориентации должно соответствовать порядку оси симметрии кристалла. Для указанных кристаллов при взаимодействии центров окраски, ориентированных под углом не равным 0 или тс/2 к оптической оси, с поляризованным излучением пространственное распределение интенсивности люминесценции вдоль направления распространения возбуждающего света носит периодический характер [2].
Пусть, световая волна распространяется вдоль координатной оси у перпендикулярно оптической оси с, которая направлена по координатной оси z. Направления дипольного момента /# и нормали к плоскости ротатора г ориентированы под углами ж/4 к оптической оси, лежат в плоскости xz и расположены симметрично относительно направления оптической оси.
Графики зависимостей, определяемые выражениями (1.1) и (1.2), показаны на рис. 1.3. Из рассмотрения указанных зависимостей видно, что кривые для линейных диполей и ротаторов существенно отличаются. Особенно наглядны эти отличия при наблюдении поляризованной люминесценции через анализатор (кривые 2 и 3). Следовательно, как указывает автор [23], природа элементарного осциллятора определяет конкретный вид пространственных зависимостей интенсивности люминесценции кристаллов. В связи с этим, огромный интерес представляет собой задача перенести эту модель определения ориентации и типа элементарного излучателя на кубические (изотропные) кристаллы, обладающие большим разнообразием радиационных и примесных центров окраски.
Кубические кристаллы можно искусственно превратить в кристаллы с более низкой симметрией, используя одноосное сжатие или наложение электрического поля. Подобные воздействия приводят к деформации кристаллической решетки, изменению компонент тензоров диэлектрической проницаемости и электрической восприимчивости и, соответственно, к возникновению двойного лучепреломления и двойного поглощения. Появление искусственной анизотропии кристалла должно привести к отклонению аксиального пространственного распределения интенсивности люминесценции от закона Бугера-Ламберта-Бера. При этом следует заметить, что при наведении искусственной анизотропии ориентации квантовых систем фактически остаются неизменными, присущими исходному кубическому кристаллу. Изменения ориентации, обусловленные небольшой деформацией кристаллической решетки, не играют существенной роли, они не могут изменить фактически изотропного распределения ориентации. Поэтому без специального исследования нельзя было сделать вывод о возможности или невозможности наблюдения аксиальных пространственно-периодических зависимостей интенсивности люминесценции в кубических кристаллах, что необходимо для применения метода к этим кристаллам. Ниже этот вопрос количественно изучается расчетными методами для кристаллов с простой кубической решеткой симметрии тЗт, с двухатомным базисом, с центрами люминесценции, электрический дипольный момент которых ориентирован вдоль диагоналей граней куба и главных диагоналей куба, соединяющих одноименные атомы (или ионы, вакансии, другие дефекты). К подобным системам относятся F2+ , F2, F2" и F3+ - центры окраски в щелочно-галоидных кристаллах, обладающие высоким выходом люминесценции.
Расчеты пространственно-временной зависимости поглощенной центрами люминесценции мощности возбуждающего излучения Q(y,t) и пространственного распределения энергии W(y), а также пространственной зависимости интенсивности люминесценции при возбуждении ультракороткими импульсами подробно изложены в приложении 2 и опубликованы в работе [16]. Ниже приводятся результаты этих расчетов и их обсуждение.
Экспериментальная апробация пьезомодуляционного метода
Для апробации предлагаемого метода мы провели эксперименты на у-облученных кристаллах LiF, которые содержали люминесцирующие центры окраски с уже известной ориентацией вектора электрического дипольного момента и, в некоторых случаях, с известным типом элементарного осциллятора, полосы возбуждения и свечения которых лежат в видимой области оптического диапазона. К ним, например, относятся F2 и F3+ центры окраски, ориентированные определенным образом вдоль осей симметрии кристалла. Кроме этого данный кристалл обладает достаточной механической прочностью и не подвержен пластическим деформациям. В экспериментах исследовались аксиальные пространственные зависимости интенсивности люминесценции возбуждаемой излучением гелий-кадмиевого лазера (441,3 нм), которое поглощается данными типами изучаемых центров. Образцы выкалывались по плоскостям граней куба в форме параллелепипеда размером приблизительно равным 10xl0x(30-s-40) мм3. Кристаллы приготавливались таким образом, чтобы ослабление возбуждающего излучения за счет поглощения по всей их длине не превышало 10 %. Поскольку, исходные образцы были сильно окрашены, то при их возбуждении люминесценция наблюдалась только на небольшом участке в начале кристалла, что было вызвано большим значением коэффициента поглощения. Нам же для качественного наблюдения картины необходимо было наблюдать распределение интенсивности люминесценции по всей длине кристалла. Для уменьшения коэффициента поглощения и наведения определенных групп центров для одного образца проводился термический отжиг при 400-5-500 С в течение 5- 7 мин, другой образец после термического отжига облучался нефильтрованным излучением ртутной лампы в течение 15- 25 мин. Термическое воздействие приводит к разрушению некоторых типов центров окраски, в то время как под действием ультрафиолетового излучение происходит фотохимическое преобразование центров.
Механизм распада и фотопреобразования F2 и з+ — центров окраски в ЩГК хорошо известен и подробно описан в работах [70-72]. Для обоих образцов мы измерили спектры поглощения и люминесценции (рис. 1.6 — 1.9.) до и после указанных воздействий. Спектры поглощения измерялись в видимой области оптического диапазона в интервале 350 - 650 нм с помощью спектрофотометра фирмы Шимадзу. Спектры люминесценции были измерены на флуоресцентном спектрофотометре 65 0-1 OS фирмы Hitachi; длина волны возбуждения была равна 450 нм.
В спектре поглощения необработанного образца (кривая 1 на рис. 1.6) хорошо видна полоса при 441,2 нм, представляющая сумму полос поглощения F2 и Рз+ - центров окраски. Спектр люминесценции для данного образца (рис. 1.7) показывает, что вклад, вносимый этими центрами в суммарную интенсивность свечения практически одинаков.
Спектры поглощения и люминесценции исследуемого образца после отжига, измеренные при тех же условиях, что и предыдущие, показаны на рис. 1.6 (кривая 2) и рис. 1.8 соответственно. Видно, что коэффициент поглощения резко снизился, при этом вклад, вносимый F3+ -центрами в суммарную интенсивность люминесценции уменьшился почти в два раза. Спектр люминесценции образца, который после термического отжига облучался нефильтрованным излучением ртутной лампы, приведен на рис. 1.9. Видно, что вклад, вносимый F2 - центрами окраски в суммарную интенсивность люминесценции несколько снизился, в то же время интенсивность свечения Бз+ - центров увеличилась.
Для выполнения условий наблюдения, вдоль ребра кристалла под углом ж/4 к индуцируемой оптической оси с была вырезана площадка для регистрации пространственно-периодической зависимости люминесценции. Кристалл зажимался в специально изготовленное устройство для упругой деформации (рис. 1.10). Механическая нагрузка для наведения анизотропии прилагалась к двум противоположным большим граням. Возбуждающее излучение источника И фокусировалось с помощью линзы Л и направлялось в кристалл нормально (волновой вектор к перпендикулярен оптической оси с) к малым граням параллелепипеда, а электрический вектор Е, световой волны, прошедшей через поляризатор Я, ориентировался под утлом тс/4 к оптической оси. Для выделения необходимых полос свечения отдельных типов центров использовались светофильтры Ф: КС-11 с полосой пропускания в области излучения Р2-центров и ЗС-8 - в области излучения Рз+-центров. Регистрация наблюдаемой пространственно-периодической зависимости интенсивности люминесценции осуществлялась с помощью цифровой фотокамеры Casio. Обработка результатов эксперимента производилась с помощью персонального компьютера ПК. Устройство для наведения искусственной анизотропии
Эксперимент показал, что в напряженном кристалле фтористого лития интенсивность люминесценции Рг-центров приобретает пространственно-периодическую модуляцию (рис. 1.11), в соответствии с результатами расчета. При этом, в зависимости от ориентации электрического вектора Е (положения поляризатора) относительно оптической оси, возбуждаются определенные группы центров. Так, при положении вектора Е +ж/4 (по часовой стрелке) относительно оптической оси возбуждается первая группа центров (верхний снимок), показанная линией 1 на рис. 1.5, при изменении ориентации электрического вектора Е на угол ж/2, т.е. когда угол между оптической осью и направлением колебаний вектора Е равен -к/4 (линия 2 на рис.1.5.), возбуждается вторая группа центров (нижний снимок). Это позволяет обеспечить пространственно-селективное возбуждение люминесценции центров окраски, ориентированных определенным образом. Для указанного образца величина пространственного периода модуляции интенсивности люминесценции составляет порядка 1см, что соответствует величине приложенного механического напряжения порядка 2000 Н/см , глубина модуляции равна 0,4. Рис. 1.11. Пространственная картина распределения интенсивности люминесценции F2 - центров напряженного кристалла LiF при различной ориентации электрического вектора Е: - верхний снимок - угол между оптической осью и направлением вектора Е составляет +7г/4; - нижний снимок - угол равен - тг/4 Аксиальное распределение интенсивности люминесценции в образце, облученном после термического отжига нефильтрованным излучением ртутной лампы, показано на рисунке 1.12.
На рис. 1.12а приведена картина пространственного распределения суммарной интенсивности свечения F2 и F3+ - центров окраски. Видно, что в максимумах наблюдается более длинноволновое свечение, чем в минимумах. При наблюдении через красный светофильтр КС-11 (рис. 1.126), видно, что пространственное распределение люминесценции F2 - центров имеет периодический характер, с глубинной модуляции около 0,4. В то же время люминесценция Р3+-центров в том же образце не имеет заметной модуляции (рис. 1.12в).
Моделирование рассеяния широкополосного возбуждающего излучения в кубических кристаллах с наведенной анизотропией
Рассмотрим взаимодействие фемтосекундных лазерных импульсов с кристаллом, имеющим простую кубическую решетку симметрии тЗт, содержащим изотропные рассеивающие частицы, в которых действующим оптическим излучением возбуждались элементарные линейные осцилляторы, в виде электрических диполей, с присущей им диаграммой направленности излучения .
Направление вектора электрического дипольного момента ju совпадает при этом с ориентацией вектора электрического поля Е. К кристаллу вдоль оси симметрии четвертого порядка приложено механическое напряжение, как показано на рис. 2.5. Подобное воздействие приводит к деформации кристаллической решетки, изменению компонент тензоров диэлектрической проницаемости и электрической восприимчивости и, соответственно, к возникновению двойного лучепреломления, т.е. кристалл становится одноосным, а направление его оптической оси совпадает с направлением действия механического напряжения (см. приложение 1) [88].
Пусть волновой пакет, направленный по координатной оси у, падает на кристалл так, что волновой вектор нормален к оптической оси, а электрический вектор Е ориентирован к ней под углом л/4 . Обыкновенная и необыкновенная компоненты световой волны при распространении в кристалле рассеиваются. Рассмотрим случай, когда изменение спектра рассеянного излучения не зависит от размера и структуры рассеивающих частиц. В этом случае напряженности волн, переизлученные диполем, равны [24].
Как видно выражение (2.6) представляет собой периодическую затухающую с расстоянием функцию, которая на расстояниях, соответствующих полному разбегу обыкновенной и необыкновенной компонент импульса, приходит к некоторому стационарному значению, определяемому величиной первого слагаемого. Т. е., интенсивность рассеянного излучения осциллирует вдоль направления распространения волнового пакета.
Таким образом, пространственная картина распределения интенсивности рассеяния образуется за счет интерференции рассеянных обыкновенной и необыкновенной компонент световой волны в направлении наблюдения, перпендикулярном направлению распространения излучения. Видность полос интерферограммы снижается от 1 до 0 по мере продвижения обыкновенной и необыкновенной компонент импульса в глубь кристалла (рис. 2.3). Максимальная видность интерференционной картины достигается при условии, что угол Р между осью z и направлением наблюдения равен я/4. Необходимо заметить, что рассеяние фемтосекундных импульсов, имеющих большую ширину спектра, в кубических кристаллах с наведенной анизотропией может привести к возникновению дисперсионной картины в направлении наблюдения, перпендикулярном направлению распространения волнового пакета. Предположение связано с тем, что спектрально ограниченные фемтосекундные импульсы длительностью несколько фемтосекунд обладают шириной спектра ДХя»200 -250 нм, который содержит в своем составе различные спектральные компоненты, имеющие различные скорости распространения в кристалле, что должно повлиять на картину аксиального распределения интенсивности рассеяния этих импульсов. Задача определения механизма возможной пространственной трансформации спектра рассеяния фемтосекундных импульсов решалась с помощью компьютерного моделирования и прямых экспериментов.
Для получения реальной картины рассеяния фемтосекундного импульса в кубическом кристалле, с наведенной анизотропией, такой, какой бы ее увидел исследователь, была разработана специальная программа, позволяющая проводить все необходимые расчеты в цветовых системах координат. Любое оптическое излучение воспринимается человеческим глазом как цвет. Цвет в свою очередь однозначно и полностью определяется спектром излучения. В нашем случае таким излучением является рассеяние фемтосекундного импульса с гауссовой формой огибающей.
В компьютерных видеосистемах используется аддитивный метод формирования цветного изображения, который основан на сложении основных цветов колориметрической системы RGB [90-93]. Данная система дает возможность количественно оценивать цвет и проводить цветовые расчеты, в частности, она позволяет установить связь между спектральными характеристиками и цветом. Три основных цвета R, G и В являются взаимно независимыми. Это означает, что ни один из них не может быть получен путем сложения (смещения) двух других. Для указанной системы выполняется основное колориметрическое уравнение [89]: F = R[R] + G[G] + B[B]. (2.9) В этом уравнении [R], [G] и [В] являются единицами светового потока основных источников света - красного, зеленого и синего. Коэффициенты R, G и В являются компонентами потока F, показывающие, какое количество единиц [R], [G] и [В] необходимо взять, чтобы в сумме по яркости и цветности получить заданный световой поток F. За основные цвета для измерительных целей, как правило, принимают следующие монохроматические излучения: для R-XR= 700 н; для G - Хо= 546,1 нм и для В - Дд = 435,8 нм (спектральные линии паров ртути) [92]. В указанной системе RGB для некоторых цветов не удается получить качественное и количественное равенство при любом соотношении величин трех основных цветов.
Интерференция поляризованных лучей
Интерферометрический метод измерения степени временной когерентности имеет один существенный недостаток - на результаты измерений существенно влияют шумы, обусловленные амплитудными и частотными флуктуациями параметров излучения оптических источников и изменением разности хода лучей за счет влияния внешних механических и атмосферных факторов. Указанные недостатки стимулируют поиск новых подходов к измерению времени когерентности.
Одним из методов, не имеющим недостатков, которыми обладает интерферометрический метод, является поляризационный метод, основанный на получении интерференции поляризованных лучей [129]. До настоящего времени он не нашел широкого применения для измерения времени когерентности лазерного излучения, поскольку для таких измерений необходимо обеспечение достаточно большой разности хода между обыкновенным и необыкновенным лучами, что требует использования кристаллов больших размеров, а это, в свою очередь, связано с большими технологическими трудностями выращивания таких кристаллов [102]. Однако это метод может быть успешно использован при измерении времени когерентности широкополосных как лазерных, так и тепловых источников излучения с фемтосекундным временем когерентности, поскольку в данном случае обеспечение большой разности хода между интерферирующими лучами не требуется.
Распространение света в анизотропных кристаллах описывается в общем случае уравнением Френеля, получаемым в результате общего решения уравнений Максвелла, и материальных уравнений для прозрачного немагнитного кристалла [95]. Анализ уравнения Френеля показывает, что структура анизотропной среды допускает распространение в любом данном направлении двух плоских монохроматических волн, линейно поляризованных во взаимно перпендикулярных плоскостях и обладающих различными скоростями распространения. Поэтому между лучами возникает оптическая разность хода, которая в случае оптически одноосного кристалла равна [95]: L = d{ne-n0) и разность фаз: где d - толщина кристалла, п0 и пе - показатели преломления обыкновенного и необыкновенного лучей соответственно, Я - длина падающей световой волны. При выходе из кристалла лучи идут параллельно и могут интерферировать, если выполняются условия интерференции, т.е. лучи когерентны, параллельны, поляризованы в одной плоскости и имеют разность хода.
Для наблюдения интерференции поляризованного света в анизотропных кристаллах пользуются поляризационной установкой, в которую входят поляризатор и анализатор (рис. 3.3) [130]. В качестве поляризаторов и анализаторов можно применять любые поляризационные устройства, дающие линейную поляризацию: николи и различные призмы, сделанные из прозрачных двупреломляющих кристаллов, или же поляроиды [132-133].
Условие когерентности создается тем, что лучи, прежде чем испытать двупреломление в кристалле, проходят через поляризатор, следовательно, раздваивается плоскополяризованньш луч, в котором когерентные световые колебания лежат в одной плоскости. Войдя в кристалл, этот поляризованный луч света, преломляясь, разделяется на два луча с взаимно перпендикулярными плоскостями колебаний. Плоскости поляризации и абсолютные значения показателей преломления этих лучей зависят от ориентировки падающего луча по отношению к оптической индикатрисе кристалла, сечение которой показано на рис. 3.36. Из кристаллической пластинки выходят два плоскополяризованных когерентных луча, обладающих разностью фаз 8. В воздухе эти лучи параллельны, но интерферировать они не могут потому, что у них разные плоскости колебаний. Анализатор, помещенный за кристаллом, служит для того, чтобы свести в одну плоскость колебания двух лучей, поляризованных во взаимно перпендикулярных плоскостях.
Таким образом, анализатор пропускает два когерентных луча, плоскополяризованных в одной плоскости и имеющих разность фаз 8 (рис. 3.3 г). Между этими лучами возникает интерференция. Поэтому кристаллическая пластинка, находящаяся между поляризатором и анализатором, оказывается окрашенной в интерференционные цвета. Наблюдение в поляризованном свете производится обычно при скрещенных николях, т.е. когда угол между плоскостями поляризации поляризатора и анализатора равен ж/2. Если за анализатором установить экран, то на нем можно визуально наблюдать интерференционную картину, видность которой будет определятся разностью фаз и углом /? между электрическим вектором падающей волны и оптической осью кристалла. При определенной длине волны X и постоянной толщине d кристалла колебания обыкновенного и необыкновенного лучей будут отставать друг от друга на постоянную величину 8. В данном случае максимум интенсивности интерферирующих лучей наблюдается при /?=я/4. При этом результирующее колебание может быть поляризовано эллиптически, по кругу или линейно, в зависимости от толщины кристалла. В случае плавного изменения толщины кристалла или угла между электрическим вектором падающей волны и оптической осью кристалла состояние поляризации суммарной световой волны на выходе анализатора изменяется от линейной к круговой, затем к эллиптической и т.д., а видность наблюдаемой интерференционной картины колеблется от О до 1. Период Л изменения состояния поляризации световой волны в анизотропном кристалле определяется величиной двулучепреломления Лп и равен: А = Я/Ап, где Ап = пе-п0. Этот факт лежит в основе построения поляризационных интерферометров [91, 134], которые могут быть использованы в качестве автокорреляторов для измерения степени временной когерентности. Так, в работе [134] предложен фемтосекундный автокоррелятор, построенный на основе использования двух анизотропных кристаллических пластинок. Оптическая ось первой пластинки параллельна ее поверхности и образует угол тс/4 с плоскостью поляризации падающего пучка. Угол между оптической осью второй двулучепреломляющей пластинки и ее поверхностью изменяется в процессе ее качания, а проекция оптической оси на поверхность пластинки ортогональна оптической оси первой пластинки. В процессе качания второй пластинки достигается плавная знакопеременная задержка обыкновенной и необыкновенной составляющих исходного импульса относительно друг друга.
Нами разработана конструкция и проведены испытания сканирующего поляризационного интерферометра [22], предназначенного для интерферометрических измерений степени временной когерентности широкополосных источников излучения с фемтосекундным временем когерентности, а также проведены исследования, связанные с влиянием дисперсии анизотропной среды на результат измерений автокорреляционной функции первого порядка. Предлагаемый в данной работе интерферометр практически не требует настройки и имеет достаточно простую конструкцию.
Похожие диссертации на Аксиальное распределение интенсивности люминесценции и рассеяния возбуждающего излучения в кубических кристаллах с наведенной анизотропией
