Поляризационные оптические эффекты в нелинейных и гиротропных кристаллах Петренко, Александр Дмитриевич

Введение к работе

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕШ. Диссертационная работа посвящена теоретическому исследованию новых поляризационных эффектов нелинейной оптики твердых тел, как основы методов нелинейной поляризационной спектроскопии кристаллов и разработки новых устройств квантовой электроники для управления световыми пучками.

До сравнительно недавнего времени "поляризационной степени свободы" электромагнитной волны / в отличие от других ее характеристик - амплитуды и частоты / в нелинейной оптике уделялось мало внимания. С одной стороны это связано с тем, что для ряда нелинейных эффектов их особенности, обусловленные характером поляризаций взаимодействующих / нормальных / волн, не лежат на поверхности и могут быть не замечены. В то же время, как показывают исследования, в том числе и выполненные в настоящей работе, речь здесь может идти не только об учете тонких аспектов известных эффектов нелинейной оптики, но и существенном изменении характера их протекания. С другой стороны некоторые поляри- ^п зационные эффекты являются сравнительно малыми и могут наблюдаться при значительных / десятки мегаватт на квадратный сантиметр / интеасивностях лазерного излучения'. Поэтому их измерение стало возможным лишь в последние годы в связи о успехами, достигнутыми в развитии техники эксперимента, и.в особенности с применением мощных пикосекундннх источников света.

Поляризационные эффекты в нелинейной оптике, в частности, изучаемые в данной работе, мо.тао разделить на три группы.

К первой из них относятся явления нелинейного преобразования поляризации овета, обусловленные самовоздействием / самоиндуцированные, эффекты / или гзаимодеМствием / светоиндуда-

рощнныа эффекты / световых волн. Наиболее известное из них состоит в саддоиндуцированиол) вращении эллипса поляризации света / П.Иейкер, Р.Терхьюн, С.Сэвадж, 1964г. /. В интенсивных световых полях -жожет происходить изменение тензора естественной, гирации среди, что соответствует эффекту нелинейной оптический активности /НОА/ / С.А.Ахманов, В.П.1ариков,1967 г.; С,Келих, 1967 г.; П.Аткинс, Д.Баррон, 1968 г.; Б.В.Бокуть, . А.Н.Сердюков, 1971 г./, проявляющейся, в частности, в зависящем от интенсивности излучения вращении плоскости поляризации волны. Дальнейшие исследования / М.И.Дцкман, Г.Г.Тарасов, 1979 г. / показали, что нелинейное оптическое вращение в кристаллах может быть связано также с анизотропией нелинейного поглощения света.

Ко второй труппе вопросов относятся поляризационные аспекты известны* нелинейных эффектов, например, таких, как генерация гармоник, комоинационное рассеяние света, двухфотон-ное поглощение. Конкретно речь идет оО их зависимости от поляризаций внешних электромагнитных волн и в осооенности от состояний нормальных волн в среде. Особый интерес в этом плане представляют естественно гиротропные кристаллы, где линейное вращение плоскости поляризации модулирует пространственное распределение анизотропии.

Третью группу составляют поляризационные э44^актн, _свя_ занные с взаимодействием света с возбуждениями кристалла несветовой природы. К ним относятся тепловое оптическое враще-ьиа -.зависимость гиротропных свойств кристалла от температуры среды / Д.В.Власов, В.Н.Зайцев, 19?I г. /, вращение плоскости поляризации света на ультразвуковой волне, нелинейное оптическое вращение /НОВ/ і, магнитных кристалла< и другие.

Приведенная классификация поляризационных эффектов в нелинейных средах в известной степени является условной и ряд из них находится в тесной связи. Например, анизотропия двух-фотонного поглощения /ДФД/ - один из механизмов НОВ, а естественная гирогропия не только приводит к немонотонной зависимости угла нелинейного вращения плоскости поляризации от длины кристалла, но и дает дополнительный аддитивный вклад в эффект.

Даже кубические нелинейные кристаллы оптически анизотропны, поэтому по сравнение с линейной оптикой поляризационные -эффекты нелинейной оптики значительно более информативны. Это делает их привлекательными с точки зрения использования как одного из методов диагностики физических свойств кристаллов. Сочетание методов нелинейной оптики с прецизионными измерениями поляризации света позволяет получать уникальную информацию об электрошшх свойствах кристаллов, которую зачастую либо затруднительно, либо невозможно получить иными методам. Все это позволяет говорить о становлении в последнее время нового перспективного направления в физике твердого тела - нелинейной поляризационной спектроскопии кристаллов. Кроме того, нелинейные поляризационные эффекты могут служить основой при создании практически безынерционных быстродействующих устройств управления- светом мощными, но возможно низкоэнергетическими лазерными источниками.

Успэхи, достигнутые в этом направлении, а также открываю
щаяся перспектива практического использования нелинейных поля
ризационных явлений определяют актуальность настоящего иссле
дования, і"

- b -

Ціі/IL диссертационной работы состоит в теоретическом изучении эффектов нелинейного оптического вращения и других млений поляризационного сагловоздейегвия и взаимодействия света в кристаллах в том числе и иострансі венной дисперсией первого порядка, поглощением, нелинейной анизотропией, с акустическими фононами и магнитных.

ОСНОВНЫЕ! ШЛОІИІИл, выносимые на защиту:

1. В поглощающих кристаллах с анизотропным нелинейным откликом и пространственной дисперсией угол нелинейного вращения плоскости поляризации снега определяется четырьмя основними физическими механизмам;!: нелинейной оптической активностью, анизотропией двухфотопного поглощения, анизотропией нелинейного преломления в естественно гиротропнпх кристаллах и нелиней ним двулучепреломленпе.и в линейно поглощащих крисі аллах.

2. При отражении поляризованной волш от гранищ нелинейного кристалла происходит изменение ее поляризации - поворот ази.иута зллішса поляризации и деформация его формы.

3. Поляризационное взаимодействие света ь кристаллах монет оить иписано в квазичастичном формализме, продет авлянле,.) оооой нниоолее иоследоьательнин подход в квантовой теории этих явлений.

4. Вращение плоскости полчрі^ац>;и света ь кристаллах существенным ооразом зависит от температури среды.

5. Фотиіііругоз взаимодействие в-кристаллах оо.уо/швланаег зффекти инлукіц оьншиго звуковой волной оптического вращения и светоіііідуц:;ри«апноі: акуліичаской активности.

6. L .'лагіиі-iHiix кристаллах лппс/.ныГ. зфрект 1;>'р:.дрн приведет к сулСіЛнопі'.' г, извинен!'», характера протекания зфіекта'.по~ липеїшоїо Li'..: 'і:іін плоскості' ііол.ір/.за.,,!!'. свата.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА работы:

7. Построе.ш фено.'лвнолс»'.: іеі.-шя теория эффекта.нелинейного оптического вращения в крисі ял not со слабой нелинейность!). Учтя новлены физические механизмы взаимодействия световых волн, обк ловливающие это явление, связанные с "быстрыми" электронными н линейностями кристаллов.

8. Построена феноменологическая теория поляризационного с¹ мовоздействия световой волны при ее отражении от кри галлов, в том числе с естественной и нелинейной гиротропией.

9. Разработана квантовая теория поляризационного самовоздействия света в экситоннои области спектра естественно гиротро пных диэлектрических и полупроводниковых крис^ллов, основанная на представлении о лоляритонах.

10. Изучены эффекты оптического и акустического вращения, обусловленные фотоупругим взаимодействием, а именно: тепловое оптическое вращение, вращение плоскости поляризации световой волны на ультразвуковой накачке и акустическая активность кристалла, индуцированная световой волной.

11. Разработана теория эффектов вращения плоскости поляризации света в магнитных кристаллах в схемах "на просвет" и "н« отражение".

; ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ работы: I. Развитая теория эффекта НОВ в кристаллах стимулировал* постановку соответствующих первых экспериментов. Последние, з свою очередь, заложили основу нового высокочувствительного метода - нелинейной поляризационной спектроскопии кристаллов. Выполненная систематизация фиг чееких механизмов поляризациЗн-ного взаимодействия световых волн позволяет интерпретировать результата измерений эффекта и тем самым идентифицировать ос-

ш)шше механизмы формирования эффективной оптической кубической нелинейности в гиротропных кристаллах.

2. Предложенный оптический фильтр нашел применение в конструкции корректора пространственно-временного распределения интенсивности лазерних пучков, осуществляющих стаоилизацию пульсаций лазерного излучения.

3. Развитый квазичастичный подход к теоретическому исследованию поляризационного взаимодействия света может быть использован для решения широкого круга задач нелинейной оптики гиротропных срзд.

4. Изученные поляритон-фононные поляризационные эффекты могут найти применение при создании акустооптаческих элементов управления поляризациями света и звука.

5. Разработанная теория эффектов НОВ в магнитных кристаллах позволяет уточнить интерпетацию результатов соответствую-мх измерений, .а также использовать эти явления как один из новых методов нелинейной спектроскопии магнетиков.

Основные результаты раооты докладывались на ЇХ //ійплпград, 1978 г./, X /Киев, 1980 г./, XI /Ереван, 1982 г./ Всесоюзних и НИ Діинск, І988 г./ Международной конференциях по когерентной и нелинейной оптике, ХШ /Вроцлав, Польша, 197? г./ Европейском конгресаа по молекулярной спектроскопии, Всесоюзных конференции /Харьков, 1975 г./ и семинаре /Черноголовка, 1984 г./ "Экситоны в кристаллах", II Ьоесокхшом симпозиуме но акустической спектроскопии и X Всесоюзной конференции по квантовой акустике и акустооптике /'іаішеїи, 1978 г./, Реопуоллканской школе -семинаре "Спектроскопия молекул и кристаллов" /Полтава, 1987 г./,

XX Всесоюзном съезде по спектроскопии /Киев, 1238 г-./. ХУШ Всесоюзной конкуренции по физике магнитных явлений- /КалишЛ, 1288 г./, Всесоюзных семинарах по оптике анизотропных сред /Москва, 1988 г.,1990 г./, XII Европейской кристаллографической конференции /Москва, 1989 г./, ХІУ Всесоюзном /пекаров-ском/ совещании по теории полупроводников /Донецк, 1993 г./, j.T научном семинаре "Зизика магнитных явлений" /Донецк, 1993 г./. II Международной конференции по магнитоэлектрическим

взаимодействиям в кристаллах /Аскона, Швейцария, 1993 г./. заседании сессии научного совета АН Украины по проблеме "Квантовая электроника" /Киев, 1991 г./, совещаниях-семинарах, проводимых в рачках программ ГКНО СССР "Лазеры" и "Лазеры-2" /Москва, 1985 г.,1988 г.; Алушта, 1989 Г.; Киев, 1989 г./.'а такче на научных семинарах в Донецком политехническом институте, ИФП АН Украины, МГУ, МХТИ.-ФИ АН СССР, Гсстровском/ГДР/ педагогическом институте, ДФТИ АН Украины и институте физики АН Украины.

ПУБЛИКАЦИИ. По материалам диссертации опубликовано 38 pa- _t

бот и получено авторское свидетельство на изобретение. Перечень основных публикаций приведен в конце автореферата.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения. Она содертшт 332 страницы машинописного текста, 16 рисунков, 4 таблицы и список литературы из 268 наименований.