Способ определения фотоупругих постоянных гиротропных кубических кристаллов

 

Использование: кристаллооптика. Сущность: проводят четыре измерения азимута дифрагированного в первый порядок света: при первом измерении азимута дифрагированного света возбуждают ультразвуковую (УЗ) волну вдоль оси 001 , а свет посылают вдоль 010, при втором - УЗ волну возбуждают вдоль 001, а свет посылают в направлении 110, при третьем измерении, не меняя направления распространения света, возбуждают УЗ волну вдоль 110, и, наконец, при четвертом, сохраняя прежним направление света, возбуждают УЗ волну вдоль оси третьего порядка 111. По измеренным азимутам дифрагированного света на основании предложенной системы линейных неоднородных уравнений вычисляют фотоупругие постоянные гиротропных кубических кристаллов, 2 ил., 1 табл. (Л С

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (sl)s G 01 N 21/21

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4878992/25 (22) 02.11,90 (46) 07.08.92. Бюл. М 29 (71) Институт физики им. Б.И.Степанова (72) В.Н.Белый, Г.А,Пашкевич, П.И.Ропот и В.В.Шепелевич (56) Куча В.В. и др. Фотоупругие свойства гарманата висмута. Письма в ЖТФ, 1984, т.

10, в. 2, с. 124-126.

Рез А., Бабонас Г„СенуленеД.Спектральные зависимости упругооптических и упругогирационных коэффициентов в кристаллах Bi12G9020 Лит. физ. сбор. 1986, 1Ф 1, с, 41-46. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФОТОУПРУГИХ ПОСТОЯ Н Н ЫХ ГИ РОТР ОП Н ЫХ КУБИЧЕСКИХ КРИСТАЛЛОВ

- Изобретение относится к акустоэлектронике и акустооптике и может использоваться в различных акустоэлектрооптических системах для управления оптическим излучением (модуляторах, дефлекторах, акустооптических фильтрах), где необходимо значение фотоупругих свойств кристаллов, Известен способ брегговой дифракции (динамический метод), который состоит в измерении интенсивности света, дифрагированного в исследуемом кристалле, и в сравнении ее с интенсивностью света, диф рагированного в веществе (жидкости) с известными фотоупругими свойствами. В настоящее время используется методика

Диксона-Коэна, где в качестве эталона применяют плавленный кварц.

„„Я) „„1753375 А1

2 (57) Использование; крйсталлооптика, Сущность: проводят четыре измерения азимута дифрагированного в первый порядок света: при первом измерении азимута дифрагированного света возбуждают ультразвуковую (УЗ) волну вдоль оси <001>, а свет посылают вдоль <010>, при втором — УЗ волну возбуждают вдоль <001>, а свет посылают в направлении <110>, при третьем измерении, не меняя направления распространения света, возбуждают УЗ волну вдоль <110>, и, наконец, при четвертом, сохраняя прежним направление света, возбуждают УЗ волну вдоль оси третьего порядка <111>. По измеренным азимутам дифрагированного света на основании предложенной системы линейных неоднородных уравнений вычисляют фотоупругие постоянные гиротропных кубических кристаллов, 2 ил„1 табл, Недостатком известного способа является невозможность " определения фотоуп- Ц ругих постоянных гйротропных кристаллов, обладающих вращением плоскости поляризации.

Известен модифицированный способ

Диксона-Коэна. который благодаря выбору области акустооптического взаимодействия менее одного миллиметра позволил уменьшить влияние оптической активности на эф- а фективность дифракции, что, в свою очередь, дало возможность определять фотоупругие свойства гиротропных кубических кристаллов, К недостаткам данного способа относятся низкая точность проводимых измерений, обусловленная высоким значением удельного вращения (22 град/мм для

1753375

40

50 где

4х д = — в)4 г41, ЕЗ

В! 126е02о), которое не позволяет исключить зависимость эффективности дифракции от поляризации излучения, невозможность установки нужного начальною азимута поляризации и точного определения длины области акустооптического взаимодействия из-за расходимости ультразвукового пучка, зависимость эффективности во времени для фоторефрактивных крйсталлов, особенно в области спада кривой поглощения.. 10

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ определения фотоупругих постоянных гиротропных кубических кристаллов, основанный на использовании статических и ди- 15 намических механических напряжений

Проводят измерения эллиптического пьезодвупреломления, возникающего при одноосном сжатии исследуемого кристалла

Для этого используют три конфигурации эксперимента: образец сжимают давлением до 300 МПа вдоль <100>, а линейно поляризованное излучение посылают вдоль

<010>; образец сжимают вдоль направления <100>, свет посылают вдоль <001>; об- 25 раэец сжимают вдоль <111>, свет направляют йерпендикулярно оси <111>.

На основании полученных измерений рассчитывают разность фотоупругих постоянных кристалла.. 30

Акустооптические измерения проводятся в режиме Рамана-Ната при малых мощностях ультразвуковой волны. Образец. ориентируют по основным кристаллографическим направлениям и исследуют зависи- 35 мость азимута ф света, дифрагированного в первый порядок, от азимута ф линейно поляризованного падающего света. Результаты измерения позволяют определить отношение фотоупругих констант, Из сопоставления разностей и. отношения фотоупругих постоянных рассчитывают величины и знаки компонент тенэора фотоупругости.

К недостаткам известного способа исследует отнести низкую точность, обусловленную следующими соображениями: при гидростатических сжатиях возникают пьезогидрация и пьезопоглощение (т.е. зависимость линейного и циркулярного дихроиэма от величины упругих сжимающих напряжений), которые влияют на измеряемые эллиптичность и азимут прошедшего через кристалл света; поскбльку исследуемые кристаллы нецентросимметричные, то при сжатии из-за прямого пьезоэффекта возникает внутреннее электрическое поле, которое обуславливает оптическую электрогирацию дополнительное изменение эллиптичности и азимута; способ позволяет измерять статические фотоупругие постоянные, которые нельзя отождествлять с динамическими; при измерениях в области края поглощения и экситонных резонансов используемый эллипсометрический метод не применим; при сдавливании кристалла способ нуждается в постоянном контроле за соблюдением линейности закона Гука.

Сложность способа заключается в том, что наряду с ультразвуковой техникой возникает потребность в применении и контроле статических нагрузок. Кроме того, измерение эллиптического двупреломления требуют использовать техники эллипсометрических измерений, Цель изобретения — повышение точности и упрощение определения полного набора фотоупругих постоянных гиротропных кубических кристаллов.

Поставленная цель достигается тем, что при реализации способа, включающего измерение азимута дифрагированного в первый порядок света, проводят это измерение четыре раза, причем при первом измерении азимута йоляризации дифрагированного света ф возбуждают ультразвуковую волну вдоль кристаллографического направления

<001>; а линейно поляризованный свет посылают вдоль <010>, при втором измерении азимута поляризации фэ возбуждают продольную ультразвуковую волну вдоль <001>, свет посылают вдоль <110>; при третьем измерении азимута ф), не меняя направления света, возбуждают ультразвуковую волну в направлении <110> и наконец; при четвертом измерении ф4, сохраняя прежним направление распространения света,. продольную ультразвуковую волну посылают вдоль оси третьего порядка <111>. На основании измеренных ф,фэ,ф) и ф) из системы линейных неоднородных уравнений

St-1 0 . Si+1 0 Р11 0

2(Зэ-1) Зэ+1 Sz+1 0 Р1э 0

2(Зэ+1) 3$э-1 3$э-1 4(Зэ+1) Ры 0

Зл Зл $1 Se+3 РМ а(За+3 о при n=1,2,3;

Pn— агстд(2Л) при и =4;

1753375

sine(pl„) — -Д-". ; ъ =. E,ÜÞI!

= E 1 (001) п — азимут падающего линейно поляризованного света; 5 ф — азимут дифрагированного света;

I> — длина области акустооптического взаимодействия; г41 — электрооптический коэффициент;

144 — пьезоэлектрический коэффициент; . я, — статическая диэлектрическая проницаемость кристалла; p- удельное вращение плоскости поляризации;

Р 1 — компоненты тензора фотоупруго15 сти; п — 1,2,3,4 — индекс, соответствующий геометрии взаимодействия, рассчитывают фотоупругие постоянные гиротропных кубических кристаллов.

В предлагаемом способе проводятся измерения только азимута + (угла) дифрагированного света и угла поворота плоскости поляризации р I> при отсутствии дифракции. Линейно поляризованный свет, проходя через исследуемый кристалл, остается линейно поляризованным, что позволяет несложными приборами (поляризатор) измерять азимут(угол) поляризации с точностью + 3, и, как результат, ошибка в определении фотоупругих констант составляет менее 17. На предлагаемый способ при выполнении режима дифракции Рамана-Ната не накладываются дополнительные ограничения, что также способствует повышейию точности. По сравнению с известным способ не требует измерения эллиптичности, и потребность в приборах данного типа отпадает. Отпадает потребность и в применении и контроле статических нагрузок, в результате чего упрощается (измерение одной величины четыре раза проще чем измерение четырех разных величин) способ определения фотоупругих постоянных гиротропных кубических кристаллов.

На фиг, 1а, б, в, г показаны геометрия взаимодействия ультразвука и света, а также взаимное расположение волновых векторов ультразвуковой волны К и падающей световой волны К в гиротропном кубическом кристалле: а) плоскость дифракции в (100). K II(001); б) плоскость дифракции my (110), Kll (001); в) плоскость дифракции m.1. (001), К. (1 (110); г) плоскость дифракции m i(112), K i (111); на фиг. 2 — схема установки для реализации предлагаемого способа, Линейно поляризованное излучение от лазера 1, пройдя диафрагму 2 и поляриэатор 3, попадет на акустооптическую ячейку

4, в которой ультразвуковую волну возбуждают пьезопреобразователем иэ ниобата лития с помощью генератора 5. В результате дифракции света на ультразвуке образуется несколько порядков дифракции, один из которых (первый) выделяется диафрагмой 6, Азимут поляризации дифрагированного в первый порядок света определяют анализатором 7, который помещают в оправу с микрометрическим винтом для отсчета углов.. Регистрацию сигнала проводят с помощью ФЗУ 8, нагруженного на осциллограф 9 и питаемого от источинка 10 высокого напряжения, Для упрощения расчетов удобно использовать начальный азимут поляризации равным p = 0 или р =л/2, Для этих целей в схеме предусмотрен вращатель 11 плоскости поляризации.

Способ осуществляют следующим образом, Линейно поляризованный свет от лазера 1 с начальным азимутом посылают на акустооптическую ячейку 4, изготовленную согласно фиг. 1а, и проводят измерение поворота p I< плоскости поляризации при отсутствии акустоойтического взаимодействия, Затем возбуждают ультразвуковую волну и измеряют азимут поляризации ф дифрагированного света. Далее устанавливают акустооптическую ячейку 4, изготовленную согласно фиг. 1б, и проводят аналогичным образом измерение величин

ply и ф, Затем процедуру измерения поворота плоскости поляризации при отсутствии ультразвука и азимута поляризации дифрагированного света повторяют на акустооптических ячейках, изготовленных согласно фиг, 1в и фиг, 1г, и получают значения р Ь, з Ь р 14, ф4 соответственно.

По выражениям (1)-(2) на основании измеренных величин р I, и ф, рассчитывают фотоупругие постоянные гиротропного кубического кристалла.

Пример. При определении фотоупругих постоянных кристалла германата висмута в спектральной области 0,47-0,63 мкм йспользовались Ke-Ne ЛГ-38 и аргоновый

ЛГН вЂ” 503 лазеры. Исследования проводились на образцах 2 х 10 х 15 мм, ориентированных согласно фиг. 1а,б,в,г не хуже 0,2О.

Продольная ультразвуковая волна частотой

f = 40 мГц возбуждалась пьезопреобразоватем из ниобата лития. Как видно из (2), существенное различие между азимутом ф и углом поворота р I плоскости поляризации наблюдается при малых длинах I акустооптического взаимодействия, когда добавка, содержащая функции sine (p I), и обуслов1753375 ленная взаимодействием света и звука, будет значительной. Поэтому область взаимодействия выбиралась равной 2 мм и измерялась величина р I, тем самым исключались неточности, связанные с раздельным нахождением р и I. Точность измерения углов в эксперименте составляла + 5 . При расчетах пьезоэлектрический модуль I)4 и электрооптический коэффици- . ент r4I выбирались с учетом спектральной зависимости последнего. Результаты определения фотоупругих постоянных предлагаемым и известным способами приведены в таблице.

Таким образом, использование предлагаемого способа поз оляет: повысить точность определения фотоупругих постоянных; упростить методику определения фотоупругих свойств гиротропных кубических кристаллов; определять как величину, так и знак всех компонент тензора фотоупругости; проводить исследования в широком спектральном диапазоне, включая область спада кривых поглощения.и области экситонных резонансов.

Формула изобретения

Способ определения фотоупругих постоянных гиротропных кубических кристаллов, включающий измерение азимута дифрагированного в первый порядок света, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и упрощения определения полного набора фотоупругих постояннйх, измеряют азимут ф, четыре раза, причем при первом измерении возбуждают ультразвуковую волну в кристалле вдоль ..ристаллографического направления <001>, а свет посылают параллельно фронту ультразвуковой волны вдоль направления

<010>, при втором измерении ультразвуковую волну возбуждают вдоль направления

<001>, свет посылают вдоль направления

<110>, при третьем измерении, не менее направления света, возбуждают продольную ультразвуковую волну в направлении

<10>, при четвертом измерении, сохраняя прежним направление распространения

5 света, возбуждают продольную ультразвуковую волну вдоль оси третьего порядка

<111> и определяют фотоупругие постоянные кристаллы из системы линейных неоднородных уравнений для SI!

$л — 1 0 $ + I 0 Р1! 0

2($2-1) $2+1 $2+1 0 Р!2 0

2($З+1) 3 $З-1 3 $З вЂ” 1 4($З а I) PZI 0

$4 $л S4 $лл.3 . Раа а($а+ 31 г де

SI A In Pn

Sl0C ln) (СО$ (Р (2) о при п=1,2,3;

4_#_

20 j4= а =, е)4 "41:

arctg(2V2) при и =4;

slscfp I ) —.-.-+), 25 у)п — азимут падающего линейного поляризованного света относительно направления (001); ф — азимут дифрагированного света относительно направления (001); (!з — длина области акустооптического взаимодействия; г41 — электрооптический коэффициент; е14 — пьезоэлектрический коэффициент;

es — - статическая диэлектрическая проницаемость;

p — удельное вращение плоскости поляризации;

P(I — компоненты тензора фотоупруго40 сти; и = 1,2,3,4 — индекс, соответствующий геометрии взаимодействия.

1753375

1753375

lure

Составитель В. Белый

Техред М,Моргентал Корректор А. Ворович

Редактор В. Данко

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 2764 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5