Способ определения фотоупругих постоянных гиротропных кубических кристаллов Советский патент 1992 года по МПК G01N21/21 

Изобретение относится к акустоэ- лектронике и акустооптике и может использоваться в различных акустоэлект- рооптических 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, дифрагированного в веществе (жидкости) с известными фотоупругими свойствами. В настоящее время используется методика Диксона-Коэна, где в качестве эталона применяют плавленный кварц

Недостатком известного способа является невозможность определения фотоупругих постоянных гиротропных 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 эффективность 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

vi ел со со VI ел

Bii2Ge02o), которое не позволяет исключить зависимость эффективности дифракции от поляризации излучения, невозможность установки нужного начального азимута поляризации и точного определения длины области акустооптического взаимодействия из-за расходимости ультразвукового пучка, зависимость эффективности во времени для фоторефрактивных кристаллов, особенно в области спада кривой поглощения.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ определения фотоупругих постоянных гиротропных кубических кристаллов, основанный на использовании статических и динамических механических напряжений. Проводят измерения эллиптического пье- зодвупреломления, 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 образец сжимают вдоль направления 100, свет посылают вдоль образец сжимают вдоль 111, свет направляют перпендикулярно оси 111. На основании полученных измерений рассчитывают разность фотоупругих постоянных кристалла.

Акустооптические измерения проводятся в режиме Рамана-Ната при малых мощностях ультразвуковой волны. Образец ориентируют по основным кристаллографическим направлениям и исследуют зависимость азимута ф света, дифрагированного в первый порядок, от азимута у линейно поляризованного падающего света. Результаты измерения позволяют определить отношение фотоупругих констант. Из сопоставления разностей и отношения фотоупругих постоянных рассчитывают величины и знаки компонент тензора 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 дихроизма от величины упругих сжимающих напряжений), которые влияют на измеряемые эллиптичность и азимут прошедшего через кристалл света;

поскольку исследуемые кристаллы не- центросимметричные, то при сжатии из-за прямого пьезоэффекта возникает внутреннее электрическое поле, которое обуславли- вает 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 эллипсомет- рических 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 поляризации дифрагированного

света 1 возбуждают ультразвуковую волну вдоль кристаллографического направления 001, а линейно поляризованный свет посылают вдоль 010, при втором измерении азимута поляризации $г возбуждают продол ьную ул ьтразву ковую вол ну вдоль 001 , свет посылают вдоль 110, при третьем измерении азимута $з, не меняя направления света, возбуждают ультразвуковую волну в направлении 110 и наконец, при

четвертом измерении чрь, сохраняя прежним направление распространения света, продольную ультразвуковую волну посылают вдоль оси третьего порядка 111. На основании измеренных , $2. $з и № из

системы линейных неоднородных уравнений

о при п 1, 2 ,3;

#1

f

arctg (2V2T) при п 4;

An а -щ-еи Г41;

slnc() ,1ЛОО

( -азимут падающего линейно поляризованного света;

Ь - азимут дифрагированного света;

In - длина области акустооптического взаимодействия;

Г41 - электрооптический коэффициент;

Ii4 пьезоэлектрический коэффициент; es - статическая диэлектрическая проницаемость кристалла;

р- удельное вращение плоскости поляризации;

PIJ - компоненты тензора фотоупругости;

п - 1.2,3,4 - индекс, соответствующий геометрии взаимодействия, рассчитывают фотоупругие постоянные ги- ротропных кубических кристаллов.

В предлагаемом способе проводятся измерения только азимута чрп (угла) дифрагированного света и угла поворота плоскости поляризации pin 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 1 %, На предлагаемый способ при выполнении режима дифракции Рамана-Ната не накладываются дополнительные ограничения, что также способствует повышению 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 mi 100.

б)плоскость дифракции mi 110,

в)плоскость дифракции m ,

г)плоскость дифракции m , , на фиг. 2 - схема установки для реализации предлагаемого способа

Линейно поляризованное излучение от лазера 1, пройдя диафрагму 2 и поляризатор 3, попадет на акустооптическую ячейку 4. в которой ультразвуковую волну возбуждают пьезопреобразователем из ниобатэ 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

0 анализатором 7, который помещают в оправу с микрометрическим винтом для отсчета углов. Регистрацию сигнала проводят с помощью ФЭУ 8, нагруженного на осциллограф 9 и питаемого от источника 10 высокого

5 напряжения. Для упрощения расчетов удобно использовать начальный азимут поляризации равным p-Q или р л/2 . Для этих целей в схеме предусмотрен вращатель 11 плоскости поляризации.

0 Способ осуществляют следующим образом.

Линейно поляризованный свет от лазера 1 с начальным азимутом р- посылают на акустооптическую ячейку 4, изготовленную

5 согласно фиг. 1а, и проводят измерение поворота р h плоскости поляризации при отсутствии акустооптического взаимодействия. Затем возбуждают ультразвуковую волну и измеряют азимут поляризации0 дифрагированного света. Далее устанавливают акустооптическую ячейку 4, изготовленную согласно фиг. 16, и проводят аналогичным образом измерение величин р i и ipi. Затем процедуру измерения по5 ворота плоскости поляризации при отсутствии ультразвука и азимута поляризации дифрагированного света повторяют на аку- стооптических ячейках, изготовленных согласно фиг. 1в и фиг, 1г, и получают

0 значения р |3 , fa b р Ц , трз соответственно. По выражениям (1)-(2) на основании измеренных величин р 1П и грп рассчитывают фотоупругие постоянные гиротропного кубического кристалла.

Пример. При определении фотоупругих постоянных кристалла германата висмута в спектральной области 0,47-0,63 мкм использовались He-Ne ЛГ-38 и аргоновый ЛГН - 503 лазеры. Исследования проводи0 лись на образцах 2 х 10 х 15мм3, ориентированных согласно фиг. 1а,б,в,г не хуже 0,2°. Продольная ультразвуковая волна частотой f 40 мГц возбуждалась пьезопреобразова- тем из ниобата лития. Как видно из (2), суще5 ственное различие между азимутом гр и углом поворота р I плоскости поляризации наблюдается при малых длинах I акустооптического взаимодействия, когда добавка, содержащая функции sine (p), и обуслов5

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 Из и электрооптический коэффициент г/п выбирались с учетом спектральной зависимости последнего. Результаты определения фотоупругих постоянных предлагаемым и известным способами приведены в таблице.

Таким образом, использование предла- гаемого способа позволяет: 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 постоянных, измеряют азимут -фп четыре раза, причем при первом измерении возбуждают ультразвуковую волну в кристалле вдоль кристаллографического направления ОО , а свет посылают параллельно фронту ультразвуковой волны вдоль направления 010, при втором измерении ультразвуке- вую 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 света, возбуждают продольную ультразвуковую волну вдоль оси третьего порядка 111 и определяют фотоупругие постоянные кристаллы из системы линейных неоднородных уравнений для Sn,.

ОSi+ I

5г + 1 S211 ЗЗэ-1 3Si-1

5л%

О О А(5з I)

S4 + 3

О О О a{Sa t 3)

S -- sin (р 1П - узь) + cqs fro In - уь) tg уь sine (p ln) coFfyjh + Д,) tg VVi + sin (pn +/3n)J

4Я a -5- ei4 г/и;

fcs

о при n 1, 2 ,3;

n

arctg () при n 4;

„ncfrl)

- азимут падающего линейного поляризованного света относительно направления

трп - азимут дифрагированного света относительно направления

In - длина области акустооптического взаимодействия;

Г41 - электрооптический коэффициент;

ei4 - пьезоэлектрический коэффициент;

ES - статическая диэлектрическая проницаемость;

р- удельное вращение плоскости поляризации;

Pij - компоненты тензора фотоупругости;

n 1,2,3,4 - индекс, соответствующий геометрии взаимодействия.

хг

Хг

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

X,

а

х

ЧЛ / у / Hf

L1W1

i

Ч

ttna

W01

Фиг.1

1 fit-VI

(Риг. 2