Оптические свойства лучерасщепляющих призм на основе одноосных кристаллов Кузнецов Валентин Анатольевич

Введение к работе

Актуальность исследований

В связи с бурным развитием оптической связи, оптических методов измерения и приборостроения в настоящее время имеется необходимость в разработке оптических элементов, основанных на новых принципах. Это элементы для разделения одного светового пучка на несколько, для совмещения нескольких пучков в одном, однолучевые и двулучевые поляризационные призмы. Перспективным материалом для изготовления таких элементов являются оптически анизотропные одноосные и двуосные кристаллы.

Исследования свойств анизотропных кристаллов проводились в течение нескольких столетий. Исследования последних лет [1-2, 4-5, 9] выявили особенности распространения света в кристаллических образцах, не рассматривавшихся ранее. Было обнаружено, в частности, явление четырехлучеотражения. Работы В. И. Строганова, Л. В. Алексеевой, И. В Повх, Д. С. Фалеева, М. Р. Прокоповича, К. Г. Карася, М. М. Смышляевой, И. С. Филипповой, П. А. Меньшикова описывают основные свойства четырехлучеотражающих призм, а также некоторые свойства системы из нескольких призм. Однако, не были получены угловые характеристики четырехлучеотражающих призм (обычно рассматривается лишь полное внутреннее отражение от наклонной грани призмы), а системы призм описаны лишь качественно.

Настоящая диссертационная работа, обобщающая результаты научных работ автора, посвящена количественному описанию четырехлучеотражения в призмах из различных кристаллов и системах из двух таких призм. Показаны особенности систем, состоящих из одинаковых призм. Результаты расчетов проверены экспериментально. Получены также угловые характеристики призм с прямоугольным основанием из разных кристаллов. Уделено внимание особенностям распространения света в призмах из кристаллов с большой величиной двупреломления. Кроме этого, проведено экспериментальное исследование распределения энергии между лучами, выходящими из четырехлучерасщепляющей призмы.

В ряде случаев работа выполнялась совместно с соавторами. В этих случаях приводятся частично те результаты, в которых автор принимал непосредственное участие.

Цель работы

Основная цель работы заключается в выявлении новых закономерностей распространения света в кристаллах, в определении и анализе угловых характеристик лучерасщепляющих оптических элементов, экспериментальной проверке полученных зависимостей и расчете на этой основе возможных схем их использования.

Задачи исследований

Для достижения указанных целей были поставлены и решены следующие задачи:

1. Расчет и анализ угловых характеристик (зависимостей углов выхода от угла падения луча) четырехлучеотражающих призм

2. Вывод на основе этих угловых характеристик аналогичных характеристик для системы двух четырехлучеотражающих призм и анализ их, в том числе, для системы двух одинаковых призм.

3. Расчет угловых характеристик двулучепреломляющих призм с прямоугольным основанием.

4. Измерение углов выхода лучей в зависимости от угла падения для четырехлучеотражающей призмы, системы двух четырехлучеотражающих призм и двупреломляющей призмы с прямоугольным основанием.

5. Экспериментальное исследование распределения интенсивности для лучей, выходящих из четырехлучеотражающей призмы.

6. Определение параметров двупреломляющих призм из различных кристаллов и выбор наиболее подходящих кристаллов для разделения лучей с ортогональными поляризациями.

7. Выбор схемы использования четырехлучеотражающей призмы для совмещения лучей.

8. Решение вопроса о взаимности кристаллических оптических элементов.

9. Анализ возможности выхода необыкновенных лучей из плоскости падения.

Связь с государственными программами и НИР

Диссертационная работа связана с фундаментальной научно-исследовательской темой ОАО «РЖД» «Анизотропное отражение света и электрооптические свойства кристаллов», выполняемой на кафедре «Физика» ДВГУПС.

Научная новизна работы

При решении поставленных задач получены следующие научные результаты:

1. Рассчитаны аналитически угловые характеристики четырехлучеотражающих призм и двупреломляющих призм с прямоугольным основанием из кристаллов дигидрофосфата калия (KH₂PO₄), ниобата (LiNbO₄) и иодата лития (LiIO₃), вульфенита (PbMoO₄), кальцита (CaCO₃), парателлурита (TeO₂), прустита (Ag₃AsS₃), киновари (HgS), гейкилита (MgTiO₃), каломели (Hg₂Cl₂), кузьминита (Hg₂Br₂) и мошелита (Hg₂I₂). Подтверждены прежние выводы других исследователей о порядке выхода лучей из четырехлучеотражающих призм.

2. Получены угловые характеристики системы двух призм. Указан порядок выхода лучей из разных систем.

3. Показано, что на выходе системы двух одинаковых призм будет наблюдаться меньшее число лучей вследствие совмещения многих лучей.

4. Экспериментально изучены энергетические характеристики четырехлучеотражающих призм из кальцита, парателлурита и ниобата лития. Показано, что распределение энергии между лучами неравномерно.

5. Показана возможность совмещения лучей в одном направлении с использованием четырехлучеотражающей призмы. Рассчитаны параметры такой схемы для вышеперечисленных кристаллов.

6. Показано, что из двупреломляющей призмы с прямоугольным основанием из мошелита (Hg₂I₂) при любых углах падения будет выходить лишь один поляризованный луч. Предлагается использовать такую призму в качестве однолучевого поляризационного устройства.

Практическая значимость работы

Предложенные в работе схемы применения многолучерасщепляющих элементов могут быть использованы для нужд оптической связи, нелинейной и квантовой оптики. Результаты представленных расчетов могут служить основанием для дальнейшего изучения свойств оптических элементов из анизотропных кристаллов.

Апробация работы

Основные результаты работы изложены в статьях [10-27] и докладывались на следующих конференциях:

1. на Пятой Международной научной конференции творческой молодежи «Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке», Хабаровск, ДВГУПС, 17-19 апреля 2007 г.

2. APCOM-2007 Workshop: 7^th Asia-Pacific Conference on Fundamental Problems of Opto- and Microelectronics. Владивосток, ИАПУ, 15-19 сентября 2007 г.

3. на Пятой Международной конференции молодых ученых и специалистов «Оптика – 2007», Санкт-Петербург, СПбГУ ИТМО, 15-19 октября 2007 г.

4. на Международной конференции «Фундаментальные проблемы оптики – 2008», Санкт-Петербург, СПбГУ ИТМО, 20-24 октября 2008 г.

5. на Международной научной конференции «Оптика кристаллов и нано-структур», Хабаровск, ДВГУПС, 12-15 ноября 2008 г.

6. на Шестой Международной конференции студентов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук», Томск, ТПУ, 26-29 мая 2009 г.

7. на Шестой Международной конференции молодых ученых и специалистов «Оптика – 2009», Санкт-Петербург, СПбГУ ИТМО, 19-23 октября 2009 г.

8. на Восьмой Региональной конференции «Физика: фундаментальные и прикладные исследования, образование», Благовещенск, АмГУ, 10-12 сентября 2009 г.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 99 наименований. Общий объем работы составляет 110 страниц, включая 78 рисунков и 6 таблиц.

1. В системе четырехлучеотражающих призм, состоящей из двух одинаковых призм, наблюдается меньше шестнадцати лучей из-за пространственного совмещения некоторых лучей.

2. Четырехлучерасщепляющие призмы позволяют совместить лучи в одном направлении. Помимо «основного» совмещенного луча из призмы выходят два «дополнительных» луча.

3. Лучерасщепляющие призмы из кристалла мошелита (Hg₂I₂) в силу его значительной анизотропии проявляют особые свойства: четырехлучеотражающая призма дает не более трех лучей, система двух призм – не более шести лучей, двупреломляющая призма с прямоугольным основанием – лишь один поляризованный луч, что позволяет ее использовать в качестве однолучевого поляризационного устройства.

4. Причиной невзаимности кристаллических оптических элементов является несовпадение плоскостей главного сечения для падающего и отраженного луча при полном внутреннем отражении.

Похожие диссертации на Оптические свойства лучерасщепляющих призм на основе одноосных кристаллов

Нелинейные оптические свойства фотонных кристаллов на основе синтетических опаловТареева, Мария Вячеславовна

Спектральные свойства двумерных фотонных кристаллов на основе материалов с резонансной дисперсиейРудакова, Наталья Викторовна

Исследование оптических свойств композитов и фотоннокристаллических структур, организованных на основе нематического жидкого кристаллаШабанов Александр Васильевич

Экспериментальное исследование спектральных свойств кристаллов, активированных редкоземельными элементами, и возможности реализации на их основе элементов устройств для квантовых вычислений и коммуникацийБондарцев, Александр Анатольевич

Активные лазерные среды на основе кристаллов вольфраматов, молибдатов редких земель и бериллатовГулев, Валерий Семенович

Оптическая и ЭПР-спектроскопия материалов квантовой электроники и нелинейной оптики на основе кристаллов фторидов, семейств дигидрофосфата и сульфата калияСилкин Николай Иванович

Экспериментальное исследование управляемых дифракционных решеток на основе кристалла ниобата литияПаранин Вячеслав Дмитриевич

Управление временной и пространственной структурой излучения Nd-лазеров с помощью насыщающихся элементов на основе кристаллов LiF: F2-Федин Александр Викторович

Высокоэффективные лазеры двухмикронного диапазона на основе кристаллов Tm:YLF и Ho:YAG с диодно-лазерной накачкойЗахаров Никита Геннадьевич

Разработка активных сред для ап-конверсионных твердотельных лазеров с диодной накачкой на основе моноклинного кристалла BaY2F8 легированного ионами Yb3+,Pr3+ и Ce3+Пушкарь Александр Александрович