Введение к работе
Актуальность темы диссертации
Кристаллооптика фазовых переходов (ФП), возникшая на стыке оптики гироанизотропиых сред и общей теории фазовых превращений, сформировалась под влиянием растущей потребности в создании новой элементной базы оптоэлектрошюй и лазерной техники. Кристаллические соединения, имеющие несколько различных устойчивых модификаций, допускают контролируемые изменения их преломляющих и гирационных свойств1' при варьировании температуры и давления в окрестности критических значений, соответствующих точке ФП. Благодаря этому они находят все более широкое применение в различных нелинейнооптаческих устройствах. В свою очередь, это обусловливает потребность в корректной теории оптических явлений в таких средах. Адекватный теоретический подход необходим также для исчерпывающей интерпретации накопленных за прошедшие годы экспериментальных данных, обработка которых пока проводится преимущественно на полуэмпирическом уровне. Теоретические проблемы этого направления кристаллофизики долгое время оставались в стороне как от классического русла теоретической кристаллооптики, так и от фундаментальных исследований в области теории структурных ФП, и в этой связи возникает необходимость модификации теоретического аппарата классической кристаллооптики для целей кристаллооптики ФП. На этом пути уже имеется ряд важных достижений, однако известные работы пока охватывают далеко не все интересные задачи. Многие физически содержательные и важные для практики проблемы кристаллооптики ФП в литературе вообще не затрагивались, поэтому продолжение теоретических исследований в этом направлении представляется весьма актуальным и своевременным.
Связь работы с крупными научными программами, темами
Исследования, результаты которых составляют содержание данной диссертационной работы, выполнялись в рамках госбюджетных тем "Изучение оптических, фотомагпитных и термодинамических свойств и явлений в гироанизотропиых средах" (шифр ГБЦМ 94-10, № ГР 199612), "Исследование новых нелинейных оптических, электрических и других физических свойств и явлений в гироанизотропиых кристаллах в области фазовых переходов" (шифр ГБЦМ 98-18, № ГР 1998867), "Влияние внешних воздействий на преломляющие и гирационные свойства диэлектрических кристаллов в области структурных превращений" (шифр ГБЦМ 99-32, № ГР 19991027).
Диапазон таких изменений в некоторых случаях может состазлять несколько порядков.
Цель и задачи исследования
Цель настоящей работы — выявление количественных закономерностей поведения преломляющих и гирационных свойств прозрачных кристаллических диэлектриков в области их структурных ФП при изменении температуры и других обобщенных термодинамических сил. Для достижения указанной цели в диссертации были решены следующие задачи:
-
Аналитическое описание взаимной корреляции оптических величин в области структурных ФП. Установление закономерностей поведения оптических свойств кристаллов в критической области и вывод соотношений между критическими показателями оптических величин.
-
Теоретический анализ взаимодействия естественной и индуцированной оптической анизотропии в области структурных ФП. Аналитическое описание термооптического эффекта в сегнетоэлектрических кристаллах. Исследование влияния неизотермических условий в области структурного ФП на генерацию второй гармоники. Определение условий достижения наиболее выгодной электрооптической модуляции света сегнетоэлектрическими кристаллами за счет выбора оптимального температурного режима модуляции и определенной пространственной ориентации кристалла.
-
Теоретическое исследование влияния внешних полей на преломляющие и гирационныс свойства диэлектрических кристаллов и получение аналитических выражений для температурных зависимостей Пьезооптического и электрооптического эффектов, спонтанной и индуцированной электропитании, магнитополяризационной и магнитоэлектрической псевдогирации, пьезогирации и упругогирации.
Объект и предмет исследования
Объектом теоретического исследования являются оптически прозрачные немагнитные диэлектрические кристаллы, имеющие две различные устойчивые структурные модификации (фазы). Предмет исследования - закономерности поведения преломляющих и гирационных свойств таких кристаллов в области структурных фазовых переходов.
Методология и методы проведения исследований
Для учета влияния процессов фазовых превращений на рассматриваемые оптические эффекты использовались методы классической квазирав-повесной термодинамики. Оптические явления в критической области исследовались в рамках формализма теории критических показателей с помощью теории термодинамической устойчивости. Аналитическое описание ргг.мывания ФП внешним полем было выполнено на основе приближенных
аналитических выражений, выведенных соискателем при использовании теории Ландау с помощью итерационного метода. Для аналитического описания поведения гирационных свойств сегнстокристаллов в области ФП соискателем была развита теория К. Аизу.
Научная новизна и значимость полученных результатов
Впервые предложены два способа аналитического описания взаимной корреляции оптических величин в области структурных ФП: получены соотношения между аномальными приращениями компонент тензоров различных кристаллооптических эффектов и найден явный вид взаимосвязи между критическими показателями оптических величин в области структурных ФП.
Модифицирован метод расчета показателей преломления света в координатном представлении и впервые получены выражения для температурных зависимостей показателей преломления некоторых наиболее распространенных кристаллов в области структурных ФП. Развита методика определения оптимального режима электрооптической модуляции света одноосными кристаллами. В дополнение к ограничениям по пространственной ориентации кристаллического модулятора впервые указаны условия выбора наиболее предпочтительного температурного режима модуляции.
Впервые предложены аналитические выражения, описывающие размывание структурнопГФТГ внешним "п6лём7ТершдИнамнчгаш~сттгягжен-ным параметру перехода. Впервые выполнено теоретическое исследование влияния внешних полей на преломляющие и гирационные свойства диэлектрических кристаллов и получены выражения для температурных зависимостей электрооптического эффекта, электрогирацни, мапгатополяризаци-онной и магнитоэлектрической псевдогирации, пьезогирации и упругогира-ции. Развита теория гиротропных сегаетоэлектрических ФП. Впервые выполнено теоретическое исследование электрогирацни и пьезогирации при гиротропных ФП в ферроиках третьего порядка.
Практическая значимость полученных результатов
Соотношения, описывающие взаимную корреляцию оптических величин в области ФП (глава 2), могут использоваться для оценки, систематизации и прогнозирования результатов измерения оптических величин в труднодоступных температурных областях в малой окрестности точки ФП.
Полученные в главах 3 и 4 соотношения, описывающие закономерности поведения термоиндуцированной и электроиндуцированной оптической анизотропии позволяют осуществлять контролируемые изменения преломляющих свойств кристаллов. Температурная зависимость электрооптической модуляции света в сегаетоэлектрических кристаллах равносильна до-
полнителыюй "термодинамической" степени свободы. С учетом этого в главе 3 исследована дополнительная возможность оптимизации электрооптической модуляции за счет выбора наиболее предпочтительных температурных условий модуляции. Полученные при этом критерии могут использоваться для уточненного расчета оптимальных режимов электрооптической модуляции.
Выражения для температурных зависимостей гиротропных эффектов, индуцируемых внешними полями (глава 4), могут найти применение при расчете и проектировании устройств оптической обработки информации, например, для целей поляризационного кодирования сигналов. В качестве коммерческого продукта могут использоваться:
-
расчет температурных зависимостей показателей преломления наиболее широко используемых на практике кристаллов;
-
условия выбора оптимального режима электрооптической модуляции света в иеизотермических условиях;
-
методика расчета гирационных эффектов в собственных сегнетоэлектри-ках и в гиротропных ферроиках с учетом влияния внешних полей и размывания ФП.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту
I. Теоретически доказано существование взаимной корреляции кристаллооптических параметров в области структурного фазового перехода и даны два способа её аналитического описания : а) посредством линейных соотношений между аномальными приращениями компонент тензоров кристаллооптических эффектов; б) при помощи соотношений между критическими показателями кристаллооптических величин. Линейные соотношения для компонент тензоров кристаллооптических эффектов — новое средство прогнозирования и оценки точности результатов экспериментального определения температурных зависимостей кристаллооптических величин в области структурных фазовых переходов. Выполнение соотношений между критическими показателями — критерий корректности результатов теоретического расчета либо экспериментального измерения численных значений критических показателей кристаллооптических величин.
2. Зависимость преломляющих свойств электрооптического кристалла от температуры — дополнительная (термодинамическая) степень свободы электрооптического модулятора света. Предложенная методика расчета влияния этой зависимости на величины электроиндуцированных приращений показателей преломления и найденные с помощью названной методики условия совместной оптимизации диапазона рабочих температур модулятора и пространственной ориентации электрооптического кристалла дают количественные критерии достижения наиболее эффективного режима элек-трооитическс 'і модуляции света как в изотермическом, так и в неизотермическом случае.
3. Предложен метод расчета изменений преломляющих и гирационных свойств диэлектрических кристаллов в области структурных фазовых переходов при наличии внешних полей, термодинамически сопряженных и термодинамически несопряженных параметру перехода. На основе названного метода предсказаны качественные и количественные закономерности температурного поведения коэффициентов линейного электрооптического эффекта и линейной электрогирации в области размытого сегнетоэлектриче-ского фазового перехода, а также закономерности поведения гиротропных свойств собственных сегнетоэлектриков и ферроикоп третьего порядка в статических полях в отсутствие размывания фазового перехода.
Личный вклад соискателя
Диссертация отражает личный вклад соискателя в решение задач, поставленных в работе. Научный руководитель проф. С.С. Гиргель сформулировал тему диссертационной работы, осуществлял общее руководство исследованиями и принимал активное участие в обсуждении результатов.
В работах [1, 2, 7] соискателем получены оригинальные формулы, описывающие взаимосвязь между аномальными приращениями кристаллооптических величин в области фазового перехода, и выполнено сравнение этих соотношений с экспериментальными данными. С.С. Гиргель предложил применить для вывода этих формул метод Пиппарда-Яновеца. В работе [3] соискателем получены оригинальные формулы и выполнено количественное сопоставление с экспериментом. С.С. Гиргелю принадлежит идея применения линейного соотношения типа Пиппарда-Яновеца для расчета температурной зависимости коэффициента сжимаемости при размывании сегнетоэлектрического фазового перехода внешним электрическим полем. В работах [6, 11] соискателем разработана модификация теории гиротропных сегнетоэлектрических фазовых переходов К. Аизу и получены оригинальные формулы, анализ которых был выполнен соискателем совместно с научным руководителем. С.С. Гиргелю принадлежат постановка задачи и идея применения для ее решения теории К. Аизу.
В работах [5, 15] соискателю принадлежат предположение о конкретном функциональном виде априорной взаимосвязи между спонтанным приращением двупреломления и спонтанной поляризацией, предположение об однородности уравнения состояния гиротропного кристалла в области структурного фазового перехода и вывод соотношений между критическими показателями термодинамических и кристаллооптических величин. С.С Гиргель преложил использовать формализм теории критических показателей для описания взаимной корреляции кристаллооптических величин и теорию термодинамической устойчивости для получения явного вида выражений, устанавливающих взаимосвязь между этими величинами.
Публикации [8 - 10] подготовлены соискателем под руководством проф. С.С. Гиргеля; публикации [4, 12 - 14] подготовлены самостоятельно.
Апробация результатов диссертации
Результаты, полученные в ходе исследований, докладывались на научных семинарах кафедры оптики Гомельского государственного университета, а также на следующих конференциях:
Международный конгресс молодых ученых YSTM'96 (Москва, 1996 г.);
XIV Всероссийская конференция по физике сегнетоэлектриков (Иваново, 1995 г.);
1-я и 11-я Межгосударственные научно-технические конференции по квантовой электронике (Минск, 1996 и 1998 гг.);
6-й и 7-й ежегодный семинар "Нелинейные явления в сложных системах" (Минск, 1997 и 1998 гг.);
3-я конференция по лазерной физике и спектроскопии (Гродно, 1997 г.);
Международная конференция по математическому моделированию (Херсон, 1998 г.)
Опубликованностъ результатов
Список публикаций по теме диссертации включает 15 наименований. Общий объем опубликованных материалов 35 страниц. Среди них 6 статей в центральных научных журналах и 9 тезисов докладов на конференциях.
: Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, четырех глав, заключения и списка использованных источников. Полный объем диссертаций составляет 109 страниц; объем, занимаемый иллюстрациями, - 17 страниц, списком 150 использованных источников - 10 страниц.
