Введение к работе
Предмет исследования и актуальность проблемы
Современные тенденции развития оптики, связанные с созданием мощных лазеров, привели к существенному прогрессу в изучении традиционных с точки зрения практики кристаллов. В первую очередь это связано с общей для всей современной физики парадигмой изучения нелинейных динамических процессов. Применение мощных лазеров и уникальная точность оптических измерений позволили существенно продвинуться и в экспериментальном аспекте изучения нелинейных явлений. Отметим также тесную связь собственно оптических явлений и явлений, известных в других физических областях. Это и теория сверхизлучения, которая может быть описана как неравновесный фазовый переход, и теория самоиндуцированной прозрачности, которая тесно связанна с теорией солитонов в конденсированных средах, и теория генерации многомодовых лазеров, положившая начало синергетике. Уже простое перечисление проблем общих для современной физики нелинейных явлений и оптики дает полное понимание того факта, что изучепие нелинейных динамических процессов в веществах индуцированных мощным лазерным импульсом является весьма актуальным.
Современная оптика использует в качестве объектов экспериментального и теоретического исследования практически все известные среды и соединения. Именно поэтому выбор вещества (класса веществ} в качестве объекта для исследования требует особого обоснования. Исходя из вышеизложенного, это должно быть вещество с ярко выраженными нелинейными свойствами, а, с другой стороны, это должно быть вещество, широко использующееся в практических приложениях. Учитывая тот факт, что сравнительно недавно в кристаллах, представляющих собой твердый раствор KDP-DKDP, был обнаружен многокомпонентный фоторефрактивный (ФР) эффект при комнатной температуре, с выраженными нелинейными характеристиками, именно вещества изоморфные KDP представляются объектами актуальными для теоретического осмысления.
Исходя из вышеизложенного в качестве объекта исследования были выбраны сегнетоэлектрики типа порядок-беспорядок, обладающие ярко выраженными фоторефрактивіп.іми и нелинейными свойствами. Отметим, что до недавнего времени фоторефрактивный эффект считался лишь нарушающим работу электрооптических модуляторов на основе DKDP в высокоэнергетических лазерах микро- и миллисекундного диапазона с отрицательной обратной связью при энергии генерации более 3-4 Дж/см2. В настоящее время известны многочисленные примеры практического использования ФР эффекта. В некоторых средах (ЬгЫЪОз) он используется для усиления и коррекции световых пучков, обработки оптической информации, и создания лазеров на динамических решетках. Поэтому возможность получения образцов DKDP больших размеров и обнаруженный в кристаллах DKDP эффект высокотем-
пературной фоторефракции определяют эти кристаллы" как перспективные для использования в широкоапертурных устройствах динамической''голографии. Ясно, что приведенные выше аргументы "делают задачу построения последовательной теории высокотемпературной фоторефракций и рассмотрения основных явлений нелинейной оптики в этих"" условиях (распространение ультракороткого импульса, эффект самоиндуцированной прозрачности) весьма.актуальной и перспективной.
Однако для выяснения возможных механизмов, приводящих к появлению фоторефрактивнсто эффекта необходимо выяснить электронное строение вышеупомянутых сегаетоэлектриков, что, с одной стороны, позволит исключить из рассмотрения ряд моделей фоторефрактивного эффекта, связанных с фотоиндуцированными межзонными электронными переходами, а, с другой, позволит углубить представления о зонной структуре и электронных свойствах сегнетоэлекгриков. Отметим, что к этой области тесно примыкает и актуальная для оптики проблема синтеза на основе одного соединения путем допирования веществ с различной шириной запрещенной зоны. Вместе с тем в последнее время, как отмечалось в литературе, появился целый класс веществ близких к сегнетоэлектрикам типа порядок-беспорядок - сегнетоэлектрики с протонной проводимостью. Проводимость данного класса веществ обусловлена процессами миграции протонов по сетке водородных связей. Это обусловлено в первую очередь тем, что в данных веществах количество протонов меньше возможного количества водородных связей. Очевидно, что исследование возможности использования подобных соединений в оптических приложениях (например в устройствах временной компрессии лазерных импульсов) является насущной и перспективной задачей.
Вспоминая, что сегнетоэлектрики типа порядок-беспорядок являются
веществами с сильно выраженными нелинейными свойствами, необходимо
также учитывать вклад собственно сегнетоэлектрической нелинейности, воз
никающей благодаря ответственному за фазовый переход диполь-
дипольному взаимодействию сегнетоэлектрических ячеек, в нелинейную ди
намику возникающих при облучении мощным лазерным импульсом оптиче
ских процессов. Наиболее актуальными представляются при этом задача о
распространении ультракоротких лазерных импульсов в сегнетоэлектриче
ских средах и задача об особенностях эффекта самоиндуцированной про
зрачности в сегнетоэлектрической среде. Ваяшость практических приложе
ний вышеупомянутых задач представляется очевидной. Отметим также не
получивший до сих пор теоретического толкования эксперимент по генера
ции второй гармоники в нитрате натрия. _ '
Из физики твердого тела известен тот факт, что сегнетоэлектрики типа порядок беспорядок наряду с электрооптическим эффектом обладают пьезоэлектрическими свойствами и им присущ акустооптический эффект. Последнее обстоятельство означает, что возникающие в сегнетоэлектриках нели-
нейные акустические эффекты могут посредством акустооптического и пьезоэлектрического эффектов в совокупности с электрооптическим эффектами привести к изменению показателя преломления, а значит и к изменению оптических характеристик образца. Так, нелинейная акустическая решетка может служить, с одной стороны, затравочным образованием для доменной структуры образца, на которой будет происходить рассеяние света, а, с другой стороны, вследствие акустооптического эффекта может привести к созданию в образце фазовой решетки. Именно поэтому при изучении оптических явлений в кристаллах с нелинейными свойствами необходимо учитывать свойства акустической подсистемы кристалла, и, в частности, возможность образования солитонных решеток и автолокализованных состояний.
Другим важным аспектом проблемы существования локализованных структур в твердых телах является задача о локализации заряженной частицы в твердом теле. Такие локализованные состояния могут привести к появлению областей пространственного заряда, т.е. к изменению оптических свойств. Необходимо отметить, что в рассматриваемом нами случае сегнето-электриков типа порядок-беспорядок проблема локализации заряженной частицы дополнительно осложнена наличием температурного фазового перехода второго рода. К обсуждаемой проблеме тесно примыкает и проблема кластеров поляризации в высокотемпературной фазе водородосодержащих сегиетс-электриков. Предлагаемые в литературе модели не могут, в частности, объяснить наблюдаемое время жизни кластеров. Аналогичные проблемы возникают и при попытках дать теоретическую шггерпретацшо экспериментально наблюдаемым микродомеиам поляризации в низкотемпературной фазе. Представляется интересным выяснить, какие физические причины ведут к образованию кластеров и микродоменов поляризации, а также возможные перспективы использовшгая таких структур в устройствах оптической памяти.
Все вышеперечисленные факты и обстоятельства делают проблему исследования фоторефрактивных и нелинейных динамических процессов в сегнетоэлеетриках типа порядок-беспорядок (с необходимым учетом вклада акустической подсистемы кристалла) актуальной как для теории, так и для практики, и позволяют сформулировать цель исследования. Цель диссертационной работы
Основной целью диссертационного исследования являлась разработка последовательной микроскопической теории фоторефрактивных и нелинейных свойств сегнетоэлектриков типа порядок-беспорядок, проявляющихся при взаимодействии мощных ультракоротких лазерных импульсов с вышеупомянутым сегнетоэлектриком, теоретическое объяснение осповньгх имеющихся зкспериііентальньїх фактов по фоторефрактивным и нелинейным свойствам сегнетоэлектриков типа порядок-беспорядок, а также предсказание новых,
полезных с точки зрения практических приложений динамических эффектов в сегнетоэлектриках типа порядок-беспорядок. Основные положения диссертации, выносимые на защиту На защиту выносятся следующие основные положения: I .Сегнетоэлекгрики с протонной проводимостью и сегнетоэлекгрики изоморфные KDP единым образом можно описать в рамках псевдоспинового формализма S=i [39].
2.Фотостимулированные процессы переброса дислокационных струн в кристаллах DKDP приводят к появлению медденнорелаксирующей компоненты высокотемпературного фоторефрактивного эффекта, а бвдстрорелаксирующая компонента этого эффекта есть следствие спонтанного нарушения симметрии в системе сегнетоэлектрических ячеек находящихся в электрическом поле дефектов [3,4].
З.При распространении ультракороткого лазерного импульса в сегнетоэлек-трнке типа порядокгбеспорядок происходит изменение длительности и амплитуды импульса, что связано с конкуренцией между дисперсией электромагнитных волн и нелинейностью в сегнетоэлектрической подсистеме образца, которая ответственна за фазовый переход. Величина эффекта определяется температурой образца и величиной протонной проводимости [2,5]. 4.Характер изменения скорости и амплитуды 2я-импульса самоиндуцирован-ной прозрачности распространяющегося в среде, обладающей сегнетоэлек-трическими или фоторефрактивными свойствами, определяется величиной индуцированной импульсом поляризации среды, что связано с процессом поляризации среды, возникающим при распространении 27і-импульса самоиндуцированной прозрачности, и процессом воздействия возникшей поляризации на 2я-импульс [7].
5.Экспериментально наблюдаемые в сегнетоэлектриках типа порядок-беспорядок кластеры поляризации в высокотемпературной фазе, и микродоменная структура в низкотемпературной фазе являются следствием, с точки зрения микроскопического рассмотрения, квазидвумерной структуры сегне-тоэлектриков и электрострикционного взаимодействия, что связано с особенностями в динамике слабонелинейных возмущений сегнетоэлекгрика, описываемых уравнением Кадомцева-Петвиашвили [14,16].
Научная новизна
В ходе проведенной работы впервые были получены следующие результаты:
1. Предложен псевдоспиновый формализм S=l для объяснения термодинамических и динамических свойств веществ с водородными связями, в которых число протонов на водородных связях меньше числа самих водородных связей.
-
Построена теория высокотемпературной фоторефракции в твердых растворах KDP-DKDP, выявлены физические механизмы приводящие к появлению быстрорелаксирующей и медленнорелаксирующей компонент. В рамках предложенной теории проанализировано влияние фоторефракции на распространение ультракороткого импульса и на эффект самоиндуцированной прозрачности.
-
Теоретически предсказан и экспериментально обнаружен эффект пассивной модуляции добротности на фотоиндуцированной фазовой решетке в DKDP.
-
Выявлены особенности взаимодействия ультракороткого лазерного импульса с сегнетоэлектриком типа порядок-беспорядок, а также эффекта самоиндуцированной прозрачности в сегаетоэлектрической среде. Установлено, что фронт импульса самоиндуцированнон прозрачности становится более крутым при распространении импульса в сегнетоэлектрической среде.
-
Получены решения, описывающие бегущие нелинейные акустические волны в сегнетоэлектриках с водородными связями, которые связанны с поляризацией кристалла. Предложена интерпретация полученных решений как солитонных решеток, которые могут оказать существенное влияние на оптические свойства сегнетоэлектриков. Исследована динамика заряженных частиц в присутствии солитонных решеток.
-
Исходя из микроскопического псевдоспинового формализма построены модели микродоменов и кластеров поляризации; предложено использование микродоменов поляризации в устройствах оптической памяти. Установлена роль дефектов в процессе образования кластеров поляризации и предсказана автолокализация колебаний экситоиов с сегнетоэлектриках типа порядок-беспорядок.
Достоверность результатов диссертации
Достоверность основных положений и выводов диссертации обеспечивается использованием в качестве исходных твердо установленных гамильтонианов сегнетоэлектриков типа порядок-беспорядок, использованием при решении уравнений адекватного математического аппарата, подтверждением ряда результатов в ходе экспериментальных исследований, наглядной физической интерпретацией и сравнеішем с уже проанализированными и подтвержденными физическими ситуациями и выводами. Научная и практическая ценность результатов
Практическая и научная ценность диссертационной работы состоит в том, что в ней, во-первых, изучены исходя из микроскопического формализма, являющегося в целом ряде случаев более предпочтительным, чем феноменологический формализм, новые физические объекты (сегнетоэлектрики с протонной проводимостью) и новые физические явления (высокотемпературная фоторефракция, эффект самоиндуцированной прозрачности в фоторефрак-
тивных и сегнетоэлектрических средах), интересные как с точки зрения фундаментальных исследований, так и с точки зрения применений. Во- вторых, установлены закономерности ряда интересных явлений (образование кластеров, эффект электроакустического эха) в средах, находящих широкое применение в оптике, оптоэлектронике и акустике. Полученные результаты (в частности, установленная возможность широкого изменения путем допирования ширины запрещенной зоны в паяйвинилиденфгориде) открывают новые перспективы и направления практического использования и теоретического изучения сегнетоэлектриков типа порядок-беспорядок. Вышеупомянутый результат, позволяющий менять ширину запрещенной зоны, дает возможность создания приемников видимого и ближнего инфракрасного диапазона на основе одного исходного вещества, а учитывая прогресс в области химического синтеза, дает перспективы создания приемников излучения с уникальными характеристиками. Кроме того, сегнетоэлектрики типа порядок-беспорядок оказываются полезными и для создания устройств временной компрессии лазерных импульсов. Отметим, что при этом величину компрессии можно регулировать температурой, что, очевидно, весьма перспективно для приложений. Полученные результаты, научная и практическая значимость диссертации, новизна положений, развитых в диссертации, позволяют утверждать, что проведенные исследования выполнены для развития важного направления оптики - теории фоторефракгивных и нелинейных процессов в средах, обладающих сегнетоэлектрическими свойствами. Апробация работы
Результаты работы докладывались на различных конференциях и семинарах, в том числе на ХП Всесоюзной конференции по физике сегнетоэлектриков (Ростов-на-Дону, 1989), XIV Всесоюзной конференции по физике сегнетоэлектриков (Иваново, 1995), Всесоюзном симпозиуме "Световое эхо и пути его практических применений" (Куйбышев,1989), ХП Всесоюзной конференции, по акустоэлектронике и физической акустике (Ленинград, 1991), XII Всероссийской научно- технической конференции "Датчики и преобразователи информации систем измерения контроля и управления" (Гурзуф, 1995), VII международном семинаре по физике сегнетоэластиков (Россия, Казань, 1997), DC Международной конференции по сегнетоэлектрикам (Корея, Сеул, 1997), Международной конференции "The centenary of the electron (El-100)" (Украина, Ужгород, 1997), IX Международной конференции "Взаимодействие дефектов и неупругие явления в твердых телах" IIAPS-97 (Россия, Тула, 1997), XVI Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике, а также на конференциях и семинарах ВолГУ и КФТИ КНЦАНРФ.
Публикации
Основные материалы диссертации опубликованы в 42 научных работах, из них 22 статьи в реферируемых отечественных и зарубежных научных журналах.
Личное участие автора
Решение всех задач, сформулированных в диссертации, получено как лично, так и совместно с коллегами и руководимыми им аспирантами. В частности, псевдоспиновый формализм S=l для описания сегнетоэлектриков с протонной проводимостью, теория самоиндуцированной прозрачности в фотореф-рактивных и сегнетоэлекгрических средах, теория быстро релаксирующей компоненты высокотемпературного фоторефрактивного эффекта, эффект автогенерации обращенной волны в условиях фоторефракции, микроскопическая теория электроакустического эха в сегнето- и антисегнето- электриках типа порядок-беспорядок, описание микродоменов поляризации в низкотемпературной фазе сегнетоэлектриков и анализ возможности существования со-литонпых решеток в выше-упомянутых сегнетоэлекгриках выполнен лично автором диссертационной работы; исследования по зонной структуре и поляризационным характеристикам сегнетоэлектриков типа порядок-беспорядок выполнены автором совместно с Н.Г.Лебедевым, В.В.Немешем/модель медленно релаксирующей компоненты высокотемпературного фоторефрактивного эффекта предложена в соавторстве с Б.В.Аникеевым; эффект пассивной модуляции добротности на фотоиндуцированных фазовых решетках в DKDP исследовался автором совместно с Б.В.Аникеевым, Д.В.Синько, и С.А-Куценко; результаты по локализации волновой функции заряженной частицы в сегнетоэлектрическом кристалле и по кластерам поляризации в высокотемпературной фазе сегнетозлекгриков получены в соавторстве с В.В. Не-мешем ' расчеты по спектроскопии сегнетоэлектриков типа порядок-беспорядок ультракороткими лазерными импульсами и по модели электро-стрикциошюго солитона проведены совместно с В.В.Кабаковым. Объем и структура работы
Диссертация состоит из введения, пяти оригинальных глав, заключения и списка литературы из 220 наименований, содержит 354 страницы текста, 56 рисунков и 4 таблицы.
