Введение к работе
Актуальность темы диссертации. В настоящее время эффект акустооп-тического взаимодействия (А0В( нашел широкое применение в создании различных функциональных систем управления лазерным излучением (модуляторы, сканеры, оптические затворы, управляемые транспаранты, лазерные печатающие устройства и др.) и систем анализа и обработки информации (Фурье-процессоры, корреляторы, управляемые фильтры, линии задержки и др.). Изучение и применение АОВ охватывает широкий круг фундаментальных и прикладных проблем, благодаря чему оно выделилось в новую, самостоятельную область физики -акустооптику.
Современные достижения акустооптики во многом определяются тем, что в качестве материала акустоопгических преобразователей используются новые синтетические монокристаллы, среди которых особенно перспективны сегнетоэлектрики и сегнетоэластики. Эффективность АОВ, а следовательно, и всех приборов и устройств, действующих на его' основе, в основном зависит от проявления упругооитического эффекта (УОЭ) в материале преобразователя.
Б начале 70-х годов Нельсоном и Лзксом было показано, что для описания УОЭ в оптически'анизотропных, пьезоэлектрических средах классическая теория Поккельса недостаточна и требует дополнения и обобщения. В созданной этими авторами теории обобщенного упруто-оптичоского. эффекта (ОУОЭ), помимо поккелевского вклада учитываются еще два дополнительных вклада, связанных с оптической анизотропией среды и действием дальне-действующих кулоновских сил. Величина и анизотропия этих новых вкладов определяются совокупностью оптических, диэлектрических, пьезоэлектрических, электрооптических, упругих и упругооптических свойств исследуемого кристалла и их изучение является актуальной задачей кристаллофизики. Особый интерес эти исследования приобретают для сегнетоэлектриков и сегнето-эластиков, у которых в области фазовых переходов, указанные физические свойства могут'испытывать аномальное поведение и, кроме того, возникающие в них спонтанные поляризация и деформация могут оказывать дополнительное влияние на УОЭ. Исследование этих явлений далеко выходит за рамки интересов акустооптики и требует детального изучения природы и механизма каддого конкретного фазового перехода, что является одной из фундаментальных задач физики твердого
~>
тела и теории неупругого рассеяния света в кристаллах.
Цели работы и задачи-исследований
К моменту постановки наших работ систематических исследований обобщенного УОЭ практически не проводилось и сведения о влиянии "новых" вкладов на акустооптическую эффективность различных материалов и их анизотропии были крайне скудны. Поэтому основной целью первой части диссертационной работы являлось' исследование обобщенного УОЭ, определение величин и анизотропш всех его компонент, для ряда новых и перспективных для акустооптики сегнетозлектрических и сегнетоеластических монокристаллов. Главной целью второй части диссертации является исследование особенностей проявления обобщенного УОЭ в ряде сегнетоэлектриков и сегнетоэластиков, установление их связи с параметром порядка фазового перехода и с температурними аномалиями всех физических свойств, определяющих акусто-оптическую эффективность этих кристаллов. При этом, как с физической, так и с прикладной точек зрения, наибольший интерес указанные исследования представляют в диапазоне СВЧ. В связи с этим в качастве основного метода исследования был выбран спектральный метод рассеяния Мандельштама-Бриллюэна (ШБ), позволяющий получать информацию в диапазоне ~ 1Сг Гц, малодоступном для обычных радиотехнических методов.
Для достижения указанных целей было необходимо поставить и решить ряд теоретических, методических и экспериментальных задач, среди которых можно выделить главные;
1. Разработать методики и реализовать комплекс измерительной
аппаратуры для исследования в широком температурном интервале
всей совокупности физических характеристик кристаллов, необходи
мых для определения их акустооптической эффективности (іг; , ;к ,
eyte.Cijke ,Ру>г и др.).
2. Разработать методику абсолютной калибровки величин и знаков
всех компонент поккелевского упругооптического тензора на основе
учета антисимметричной части обобщенного упругооптического тензо
ра и линейности пьезоэлектрического и электрооптического взаимо
действий. Экспериментально определить величины и знаки поккелевс
кого тензора и дополнительных вкладов в ОУОЭ для ряда новых и
перспективных для акустооптики и акустоэлектроники материалов.
Провести анализ анизотропия поккелевского и обобщенного упруго-оптического эффектов,
3, Теоретически и экспериментально исследовать особенности
проявления ОУОЭ в одноосных сегнетоэлектриках - танталате лития
и германате свинца - в области их фазовых переходов. Выяснить
вклад дальнодейотвувдйх диполь-дипольных сил на динамику связан
ных акусто-полсризацнонных мод и определить анизотропию юс прояв
ления. Рассмотреть влияние релаксационной и флюктуационной частей
взаимодействия деформации с поляризацией на аномалии упругоопти-
ческих свойств кристаллов.
4. Детально исследовать оптическую и акустическую мягкие моды
и определить параметры их взаимодействия в сегкегоэластике BiW<.
Установить влияние дальнодействущих упругих сил на температурную
зависимость всей совокупности упругих модулей кристалла компонент
тензора его спонтанной деформации. Изучить эволюцию спектра неуп
ругого рассеяния света в области- фазового перехода и установить
особенности проявления УОЭ. Полученные результаты сопоставить с
выводами, следующими из существующей модели, фазового перехода.
Исследовать доменную структуру ванадата висмута и ее температурную
зависимость.
Научная новизна и практическая значимость
Впервые в рамках обобщенной модели целого ряда перспективных акустооптических материалов экспериментально определены величины и знаки всех компонент всех вкладов обобщенного УОЭ. Для яиобата лития впервые проведено исследование анизотропии упругооптического эффекта с учетом косвенного вклада. На примере исследования кристаллов Li^lJj^iTaOi , BiVQti^HiPQt ,KJ>gP04 MHgPOj ,СаМоЦ( и /і&Ві(МоО^)г показано, что для отдельных геометрий АОВ величины дополнительных вкладов могут быть не только сравнимы с поккелевс-ким вкладом, но и значительно превышать его, изменяя в ряде случаев и знак эффективной упругооптической лостоянной.Приведенные . примеры показывают, что использование в расчетах акусгооптической эффективности поккелевского приближения недопустимо и может привести для отдельных геометрий АОВ к ошибкам, достигающим нескольких сотен процентов.
Полученные данные о величинах и знаках компонент поккелевского тензора необходимы для расчета и олтимизацш .конкретных акустооптических устройств и приборов и использованы в ряде отечественных и
зарубежных монографий и справочных изданий.
Показано, что активно развиваете в последнее время теоретические методы анализа анизотропии АОВ и нахождения экстремальных значении его эффективности на базе симметрийного анализа в рамках подгруппы 2/т носят ограниченный характер и применимы лишь для слабоанизотропных непьезоэлектрических кристаллов.
Впервые'экспериментально и теоретически исследованы температурные зависимости упрутооптических постоянных одноосных сегнетоэлек-триков L і Та Oj и Р5 Ges Оц в области их фазовых превращений. Установлено, что дальне-действующие кулоновские силы оказывают сильное влияние на величину и анизотропию упрутооптических постоянных. Показано, что упругооптическая эффективность существенно зависит от частоты участвующих в АОВ фононов, что.обусловлено дисперсией флюктуационного вклада.
Получены новые сведения о характере акустических аномалий в области фазового перехода в герланате свинца. Установлено, что фазовый переход близок к переходу первого рода и экспериментально определены все основные термодинамические параметры перехода. Показано, что далыюдействующие диполь-динольные силы оказывают сильное влияние на динамику перехода и впервые исследована анизотропия проявления этих сил. Полученные результаты и уточнение существующей теории позволили найти аналитические выражения, адекватно описывающие всю совокупность экспериментальных данных для монодоменного состояния кристалла во всех частотных диапазонах.
Наблюдаемое в радиодиапазоне отклонение величины скачка скорости звука вдоль полярной оси кристалла от предсказаний теории объяснено экранированием даяънодеиствующих кулоновских сил свободными носителями заряда и определен радиус дебаевского экранирования. В последующем в ряде работ (Ыур и др., 1986, 198?) был предложен другой механизм ослабления действия дальнодействующих сил, возникающий' благодаря образованию мелкой доменной структуры.
для сегнетоэласткка BiVO^ экспериментально подтверждено, что волновой вектор мягкой акустической моды с симметрией Bg совпадает с направлением доменных границ. Впервые определены величины температурных аномалий всех модулей упругости, спонтанной деформации, оптической индикатрисы и установлена их связь с параметром 'порядка. Впервые обнаружено аномальное проявление УОЭ :> области
фазового перехода и показано, что оно обусловлено взаимодействием мягкой оптической моды с акустическими модами Be и А^ симметрии. Впервые наблюдались все четыре ориентадионные состояния в по-лидоменном образце. Установлена связь искажений поверхности полидоменного кристалла BiVO^ с величиной спонтанной деформации в доменах различного типа, что дало возможность впервые экспериментально определить в них температурные зависимости как симштрич-ной, так и антисимметричной части тензора спонтанной деформации. Вся совокупность полученішх результатов позволила существенно расширить и углубить понимание природы фазовых переходов в иссле-дованных_сегнетоэлектриках и сегнетоэластиках и может служить основой для разработки конкретных устройств управления оптическим излучением и преобразования акустических волн.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
-
Разработанные в рамках обобщенной теории УОЭ методики и экспериментально- определенные величины и знаки всей совокупности компонент поккелевского тензора и дополнигальньгх вкладов для ряда новых и перспективных для функциональной электроники материалов, в том числе HJ/S 0Sjl, TclQ5, SiiVQ^KHtPQt^JkPQblLbliPOtMHoQt, МіВі(МоОд)аи определенные для них коэффициенты акустооптического качества. Экспериментальное и теоретическое исследование анизотропии акустооптической эффективности для основных срезов ниобата лития.
-
Обнаружение для одноосных сегнетоэлектриков танталата лития и германата свинца аномалий упругооптических постоянных в области фазового перехода и их теоретическое описание на основе феноменологической теории Лавдау-Халатникова с учетом действия дальнодейст-вующих диполь-дипольних сил. Определение фяюктуационного вклада
в акустооптическую эффективность и установление его зависимости от частоты участвующих в АОВ фононов.
3. Результаты экспериментального исследования акустических
аномалий в одноосном сегнетоэлектрике Р&5^Ц<в области фазово
го превращения, которые впервые позволили установить, что переход
является близким, к переходу первого рода, что диполь-дипольные
дальнодействующие силы оказывают сильное влияние на величину скач
ков скорости .звука, которые оказались частотно-зависимыми, а их
анизотропия принщшиалыю отличающейся от выводов теории Гегузянои
- S-
к Кривоглаза (1967 г.) и Яги, Гатзузаки (1976, Pj83 г.). Полученные для-МОнодоменного состояния на базе уточнения релаксационной теории аналитические вираження, адекватно описывающие всю совокупность экспериментальных данных во всех частотных диапазонах.
4. Обнаружение аномалий упругооптического эффекта в области сегнетоэластического фазового перехода в В{ V 0^ и установление связи этих аномалий с изменением параметра порядка. Экспериментальное определение величины коэффициента связи оптической мягкой моды с акустическими модами В^ и А<~ симметрии и установление влияния этих связей на температурные зависимости упругих модулей, спонтаиннх деформаций, двоііното лучепреломления. Экспериментальное обнаружение в полидоменном ванадате висмута всех четырех ориента-цшнных состояний, исследование температурной зависимости направления когерентных доменных стенок а угла разворота соседних доменов.
Публикация и апробация работы
материалы диссертации представлены в 33 публикациях в центральних куриалах All G0GP (йизшса твердого тела, Кристаллография, Известия АН CJCP, серия физическая) и тезисах всесоюзных конферен--дни. Отдельные результаты доюіаднвались на У Всесоюзной конференции но квантовой акустике и акустоэлектронике (Новосибирск,197От.), УП Всесоюзной конференции по сегнетоэлектричеству (Воронен,1970 г.), 11 Всесоюзном симпозиуме по акустической спектроскопии и X Всесоюзной конференции по квантовой акустике и акустоэлектронике (Ташкент, І97Є г.), Научно-техническом семинаре 4Сегнето- и пьезоэлек-тршси и их иршенешіе" (Ьюеква, І97В г.), IX., X, и XI Всесоюзных совещаниях по сегнетоэлектричеству (Ростов-на-дону, 1979 г.,і/іинсг., Iit«i г.; Черновцы, 19о8 г.). Всесоюзном совещании по ферроэлектри-каг.і (Воронеж, 1382 г.), Всесоюзном семинаре "Фазовые переходы в сегнетоэлектриках" (Москва, іїй4 г.) и 1У Всесоюзной школе-семинаре по сегнетоэластикам (Днепропетровск, 19оЗ'г.).
Объем и структура диссертации
