Введение к работе
Диссертационная работа посвящена экспериментальному исследованию поляритонных состояний в пространственно-однородных средах без центра симметрии и средах с периодическим пространственным распределением квадратичной нелинейной восприимчивости. Основное внимание уделено активной спектроскопии объемных поляритонов.
Наличие в фононном спектре кристаллов дигольно-активных колебаний, взаимодействующих с внешним электромагнитным полем, приводит к возникновению поляритонных состояний, имеющих смешанную электромагнитно-механическую природу. Дисперсия поляритонов определяется функцией Грина кристалла и чрезвычайно чувствительна к малым изменениям параметров кристаллической решетки.
В средах без центра симметрии исследование поляритонных состояний возможно за счет явления спонтанного параметрического рассеяния (СПР), которое в окрестности фононных резонансов переходит в комбинационное рассеяние света на поляритонах (РСП). Спектроскопия спонтанного рассения света на поляритонах позволяет исследовать дисперсию вещественной и мнимой частей диэлектрической проницаемости, квадратичной восприимчивости и другие оптические характеристики кристалла в дальнем ИК диапазоне спектра. Однако, ее применение зачастую ограничено из-за низкого соотношения сигнал/шум, обусловленного спонтанной природой рассеяния. Точность спектроскопических измерений может быть существенно повышена за счет использования методов активной спектроскопии, в частности, методик когерентного четырехволнового рассеяния света на поляритонах.
Наличие у среды периодического распределения квадратичной
« (21
нелинейной восприимчивости х приводит к возникновению нелинейной дифракции (или квазисинхронного взаимодействия) при нелинейно-оптическом смешении частот. Такие квазисинхронные процессы возможны и при рассеянии света на поляритонах, что позволяет использовать их для исследования параметров нелинейной сверхрешетки и в ряде случаев расширяет возможности спектроскопических методик. Кроме того, существенный интерес представляет экспериментальное исследование нелинейной дифракции
при процессах четырехволнового смешения с участием поляритонов. Цель данной работы состояла, во-первых, в экспериментальном исследовании особенностей четырехволнового когерентного стоксова рассеяния света на объемных поляритонах (КСРС) в околорезонансном частотном диапазоне и разработке спектроскопических методик для исследования тонких различий оптических характеристик кристаллов с близким физико-химическим строением. Во-вторых, в работе ставилась задача последовательного рассмотрения эффектов нелинейной дифракции при трех- и четырехволновом рассеяния света на поляритонах в кристаллах с периодическим распределением квадратичной нелинейной восприимчивости и их экспериментального исследования в полидоменных кристаллах LiNbO,:Mg:Nd с
- - » „(2)
нелинейной сверхрешеткои % .
Актуальность представленных исследований обусловлена фундаментальным интересом к процессам нелинейно-оптического смешения частот с участием поляритонов. Использование методов активной спектроскопии поляритонных состояний в средах без центра симметрии позволяет поднять точность измерения оптических характеристик кристаллов в дальнем ИК диапазоне.
Исследование параметров нелинейной сверхрешетки квадратичной нелинейности также представляет значительный интерес, поскольку структуры с периодическим распределением нелинейно-оптических свойств находят все более широкое применение в устройствах преобразования частоты.
Практическая ценность решения поставленных задач состоит в выяснении диагностических возможностей различных методик спектроскопии поляритонных состояний в однородных кристаллах и кристаллах с периодическим распределением нелинейно-оптических свойств, и построении на их основе высокочувствительных методов контроля характеристик таких сред. Результаты диссертационной работы могут найти применение при разработке современных устройств преобразования частоты (ПГС, генерация оптических гармоник и т.п.) и средств неразрушающего контроля свойств нелинейно-оптических кристаллов.
Научная новизна работы состоит в следующем: - экспериментально исследовано стоксово четырехволновое рассеяние света на когерентно возбужденных объемных поляритонах
в области сильного поглощения холостой волны на примере кристаллов LiNb03 и LilOj. Проведен последовательный анализ угловых зависимостей интенсивности рассеянного излучения.
предложена теория четырехволнового каскадного рассеяния света на объемных поляритонах в среде с периодическим распределением квадратичной нелинейности.
экспериментально зарегистрировано явление каскадной нелинейной дифракции при четырехволновом рассеянии света на поляритонах в полидоменном кристалле LiNb03:Mg:Nd с нелинейной сверхрешеткой.
развита спектроскопическая методика исследования закона дисперсии поляритонов в околорезонансном частотном диапазоне на основе эффекта четырехволнового каскадного рассеяния света на объемных поляритонах. Показана возможность исследования тонких различий в оптических свойствах кристаллов с близким физико-химическим строением.
исследована дисперсия показателя преломления кристаллов LiNb03:Mg:Nd с различной степенью легирования широком спектральном диапазоне.
На защиту выносятся следующие положения и выводы из проделанных исследований:
-
На основе анализа частотно-угловых спектров КСРС на объемных поляритонах показана возможность прецизионного измерения закона дисперсии поляритона при преобладании каскадного механизма рассеяния. Предложена методика определения действительной части волнового вектора поляритона, точность которой существенно превышает точность методов спектроскопии спонтанного рассеяния. Обнаружено существенное расхождение результатов измерения мнимой части поляритонного волнового вектора методом КСРС и методом спонтанного рассеяния в исследованных кристаллах LiNb03, в то время как для кристалла LiI03 результаты аналогичных измерений совпадают.
-
Получено выражение для формы линии КСРС на объемных поляритонах в средах с периодическим распределением квадратичной нелинейной восприимчивости. Показана возможность возникновения дополнительной структуры в частотно-угловом спектре рассеянного излучения, связанной с
нелинейной дифракцией.
3. Явление каскадной нелинейной дифракции при КСРС на
поляритонах зарегистрировано экспериментально в
полидоменных кристаллах LiNb03:Nd:Mg. Использование
методик СПР и КСРС позволило с высокой степенью точности
исследовать дисперсию показателя преломления поляритонов и
характеристики нелинейной сверхрешетки в данных кристаллах.
4. Показана возможность применения предложенных
спектроскопических методик для высокоточного измерения
различий оптических свойств кристаллов с близким физико-
химическим составом в далекой ИК области.
Апробация работы. Основные результаты диссертации представлялись на международной конференции ICORS XV (США, г. Питтсбург, 11-16 августа, 1996), на международной конференции CLEO/EQEC96 (Германия, г. Гамбург, 8-13 сентября 1996), международной конференции молодых ученых "Хохловские чтения" (Москва, 15 октября, 1996), международной конференции QELS'97 (США, г.Балтимор, 18-23 мая, 1997), международной конференции CLEO/Pacific Rim'97 (Япония, г. Чиба, 14-18 июля 1997) и международной конференции LPHYS'97 (республика Чехия, г. Прага, 3-8 августа 1997 г.).
По теме диссертации опубликовано 4 статьи и 4 тезиса докладов, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка литературы. Объем диссертации 111 страниц, включая 24 рисунка и 4 таблицы. Список цитированной литературы содержит 105 наименований, включая публикации автора по теме диссертации.
