Введение к работе
Актуальность темы.
Хорошие электрооптичеекпе свойства и широкий диапазон прозрачности позволяют широко использовать кристаллы DKDP (K(DxHi-x)2P04) в устройствах управления лазераші видимого и ближнего ИК диапазона. Области их применения разнообразны: различные технологии промышленности, медицина, экология, физика, химия и др..
При исследованиях динамических модуляционных характеристик электрооптических ячеек на основе этих кристаллов был обнаружен [Л1] фоторефрактивный (ФР) эффект при комнатной температуре, который был определён как высокотемпературный ФР эффект (ВТФР эффект) в кристаллах DKDP. Это позволило объяснить существенные нарушения работы электрооптических модуляторов на основе DKDP в высокоэнергетическнх лазерах микро- миллнеекундного диапазона с отрицательной обратной связью (ООС) при энерпш генерации более 3-4 Дж/см2 [Л2], что значительно ограшічивает области использования этих лазеров.
К настоящему времени ФР эффект обнаружен в большой группе сегнетоэлектриков и сегнетоэлектриков-полутфоводгапсов, насчитывающей несколько десятков материалов. Только начинает осваиваться группа непироэлектрическнх пьезоэлектрпков (La3Ga5SiOi4 , HgS, днгидрат формиат эрбия). К последней (при температурах выше точки Кюри - Тс) относятся и кристаллы DKDP. Сравнительно недавно в этих кристаллах при температурах ниже Тс был обнаружен фотовольтаический ток [ЛЗ], приводящий к значительному ФР эффекту (Дл~10-5). Оказалось, что фоторефрактнвная чувствительность кристаллов DKDP превышает на порядок чувствительность широко известных ФР кристаллов LiNb03 [ЛЗ]. Согласно [ЛЗ] выше Тс указанный ток исчезал.
Известны многочисленные примеры использования ФР эффекта. В некоторых средах (например, LiNbO?) он используется для голографической записи, усиления и коррекщш световых пучков, обработки оптической информации, лазеров на динамических решетках и др. [Л4, Л5]. При этом является актуальной проблема создания тирокоапертурных нелинейно-оптических устройств на основе ФР кристаллов с высоким оптическим качеством. Поэтому обнаруженный в кристаллах DKDP ВТФР эффект и возможность получения образцов DKDP больших размеров делают эти кристаллы перспективными для создания шнро-
коапертурных устройств динамической голографии. Однако систематических исследовашгіі ВТФР при температурах вьппе Тс до настоящего времени не проводилось.
Т.о., актуальность темы определяется, с одной стороны, потребностями квантовой электроники в совершенствовашш параметров высокоэиергетических импульсных лазерных установок, а с другой - необходимостью поиска новых эффективных голографических сред.
Цель работы.
Существующие устройства и методы, связанные с использованием кристаллов группы KDP, имеют определяемые ВТФР эффектом принципиальные ограничения дішамического диапазона мощностей управляемого излучения. Это требует изучения этого эффекта и поиска путей нейтрализации его негативного влияния на характеристики электрооптических модуляторов света. Кроме того, ВТФР эффект в DKDP представляет самостоятельную ценность, поскольку перспективен для использования в качестве повой регистрирующей голографической среды.
Поэтому целью данной работы является определите свойств многокомпонентного ВТФР эффекта в кристаллах DKDP при импульсном возбуждении и при необходимости определение условий его нейтрализации.
Научная новизна работы определяется комплексом впервые полученных в ходе проведеїшьіх исследовашгіі результатов. Впервые экспериментально исследованы амплитудные и динамические характеристики компонент фоторефракции в DKDP с временами релаксашш ~1 мке (бысгрорелаксирующая компонента) и -10 мке (акустическая компонента). Установлено, что компоненты фотоїшдущфоваїшой поляризации среды DKDP, приводящие к быстрорелаксирующей и медленнорелакенрующей (-0.1 с) компонентам ВТФР имеют различные физические механизмы. Для объяснения механизма формирования медленнорелакенрующей компоненты ВТФР впервые предложена дислокационная теория ВТФР эффекта в пьезоэлектрнках с водородными связями.
Для исследования широкого круга нелшіейно-оптических материалов впервые предложен метод динамической вігутрирезо-наторной спектроскопии в лазере с внешней ООС, основанный на принципе "внутрирезонаторные потери - устойчивости генерации". Показан способ нейтрализации неустойчивостей при моноимпульсной генерации, вызванных влиянием нешшеино-опти-
ческих эффектов, возбуждающихся во внутрирезонаторных элементах лазеров. Предложен новый эффективный способ осуществления импульсно-пернодического режима генерации в твердотельных лазерах как с импульсной, так и с непрерывной оптической накачкой, основанный на резонансном возбуждении упру-гооптического эффекта в электрооптических кристаллах с выраженными пьезоэлектрическими свойствами.
Практическая зпачимость работы.
Полученные результаты позволяют:
значительно увеличить верхшою энергетическую границу мо-нопмпульсной генерации лазеров с активной электрооптической ООС на основе ячеек Поккельса из DKDP, что должно привести к расширению области соответствующих лазерных технолопш;
предложить кристаллы группы KDP (в частности DKDP) в качестве материала для голографических устройств.
Кроме этого, полученные в работе результаты открывают новые возможности для практических разработок:
высокоэнергетических моноимпульсных лазеров с управляемой длительностью генеращш;
высокоэффективных амплитудных модуляторов для реализации ігмпульсно-периодического режима генерации в твердотельных лазерах;
спектроскопических установок на базе лазеров с внешней активной обратной связью для экспрессного анализа характеристик различных нелинейно-оптических материалов.
Достоверность результатов исследований определяется использованием в экспериментах: стандартных методик измере-гаш временных и энергетических характеристик излучения с учетом статистической обработки данных, а также их хорошим согласием с соответствующими аналитическими и полученными в ходе численного моделирования данными. В теории: использованием стандартных уравнений для описания рассматриваемых систем.
Защищаемые положения: 1. Возникновение фотогаїдушірованньїх электрических полей, ответственных за фоторефракщпо в кристаллах DKDP при комнатной температуре, связано с различными физическими механизмами, которые определяют различную кинетику соответствующих вкладов в фоторефракшпо. Быстрорелакагрую-
щая компонента при импульсном облучении возбуждается всегда, в то время как возбуждение медленнорелаксируїощей имеет пороговый характер. Акустическая компонента обусловлена пьезооптическим эффектом, возникающим под действием быстрорелаксирующей компоненты фотоиндуциро-ванного электрического поля.
-
Кинетика медленнорелаксирующей компоненты фоторефрак-щш в DKDP главным образом определяется возбуждением за-ряжешпых дислокационных струи полем механических напряжений, возникающим вследствие термоупругого эффекта при поглощении света.
-
Разработан и экспериментально подтвержден метод внутрире-зонаторной спектроскопии нелинейно-оігпіческих ПОСТОЯ1ШЫХ для компонент фоторефракции в DKDP при комнатной температуре в лазере с контролируемой внешней отрицательной обратной связью, основанный на их связи с областями устойчивости генерации лазера.
Апробация результатов.
Основные результаты работы докладывались на V Международном симпозиуме по фоторефракпшньш материалам (Киев, 1993 г.), VI Международной конференции по нелішейной оптике фоторефрактивных и жидких кристаллов (Крым, 1995 г.), Международной конференции "Прикладная оптика 96" (С.Петербург, 1996 г.), а также на научных семинарах кафедры Лазерной физики и лабораторіш квантовой электроники Волгоградского госуннверситета, кафедры оптических технологий технического университета "ИТМО" (С.-Петербург), кафедр лазерной и компьютерной физики, оптики и физики твердого тела Саратовского госуниверептета.
Результаты, представленные в диссертации, получены в ходе выполнения НИР по централизованным Российским программам "Лазеры и их новые приложения в народном хозяйстве и научных исследованиях" и "Наукоёмкие технологии".
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Общий объём диссертации составляет 175 страниц машинописного текста, включая 47 рисунков и список литературы (100 наименований).
