Просторова анізотропія електро-, п’єзо- та акустооп- тичних взаємодій у кристалічних матеріалах твердотільної оптоелектроніки

Abstract

Дисертація присвячена проблемі розробки технології цілеспрямованого підвищення ефективності електро-, п’єзо- та акустооптичних взаємодій у кристалічних матеріалах на основі послідовного врахування та аналізу просторової анізотропії властивостей цих матеріалів, а також розробці відповідних підходів до поліпшення електро- та акустооптичних характеристик пристроїв з робочими кристалічними елементами. Удосконалено інтерферометричні та поляризаційно-оптичні методи дослідження анізотропних кристалічних матеріалів. Розроблено універсальний підхід до аналізу анізотропії електрооптичного, фотопружного та акустооптичного ефектів у кристалах довільної симетрії, що базується на побудові та аналізі вказівних поверхонь, а також нову технологію покращення параметрів електро- та акустооптичних комірок. Проведено дослідження акустичних, п’єзоелектричних, пружних, електрооптичних, фотопружних і акустооптичних параметрів кристалів LiNbO3, LiNbO3:MgO, La3Ga5SiO11, β -BaB2O4, Cs2HgCl4, CaWO4 та ін. Проаналізовано та обрано експериментальні геометрії застосування вивчених кристалічних матеріалів, які забезпечують високу ефективність відповідних електро-, п’єзо- і акустооптичних пристроїв. Диссертация посвящена проблеме разработки технологии целенаправленного повышения эффективности электро-, пьезо- и акустооптических взаимодействий в кристаллических материалах на основе последовательного учета и анализа пространственной анизотропии свойств этих материалов, а также разработке соответст- 38 вующих подходов к улучшению электро- и акустооптических характеристик устройств с рабочими кристаллическими элементами. Усовершенствованы интерферометрические и поляризационно-оптические методы исследования анизотропных кристаллических материалов. Разработан универсальный подход к анализу анизотропии электрооптического, фотоупругого и акусто-оптического эффектов в кристаллах произвольной симметрии, который базируется на построении и анализе указательных поверхностей, а также новая технология улучшения параметров электро- и акустооптических ячеек. Проведены исследования акустических, пьезоэлектрических, упругих, электрооптических, фотоупругих и акустооптических параметров кристаллов LiNbO3, LiNbO3:MgO, La3Ga5SiO11, β -BaB2O4, Cs2HgCl4, CaWO4 и др. Проанализированы и выбраны конкретные экспериментальные геометрии применения исследованных кристаллических материалов, обеспечивающие высокую эффективность соответствующих электро-, пьезо- и акустооптических устройств. This thesis is devoted to development of technology for efficiency increasing of electro-, piezo- and acoustooptic interactions in crystalline materials on the basis of consistent consideration and analysis of spatial anisotropy of the properties of those materials, as well as to the development of the corresponding techniques for improving electro- and acoustooptic characteristics of devices that involve working crystalline elements. A systematic theoretical consideration is given to manifestations of electrooptic and piezooptic effects in typical interferometric and polarization-optical experiments. The main working relations are derived that enable one to calculate absolute electrooptic, piezooptic and elastooptic tensor constants and the corresponding constants referred to optical birefringence and optical path difference basing on the data of two-fold interferometric and polarization-optical measurements, including the most cumbersome experimental geometries. Moreover, practical corrections for the working relations are obtained that take into account inevitable non-plane-parallelism of sample edges. The most general formulae for indicative surfaces describing 3D spatial behaviour of parametric optical effects in crystalline materials are derived. A universal method is 39 suggested for analyzing the anisotropy of electrooptic, photoelastic and acoustooptic effects in crystals characterized with arbitrary symmetry, which is based upon constructing the indicative surfaces and their further analysis. It is revealed for the first time that the anisotropy of electrooptic characteristics for the cases most frequently used in practice can be completely described in terms of four indicative surfaces. Several interferometric and polarization-optical experimental techniques are developed or improved aimed at studying anisotropic crystalline materials. In particular, these are the interferometric method for checking quality of crystal surfaces and their deviation form the condition of plane-parallelity, the automated interferometric technique for highly accurate express-analysis of the refractive indices of isotropic and anisotropic optical materials, the improved apparatus for measuring electrooptic and piezooptic coefficients and a number of practical techniques for measuring of acoustic, elastic, piezoelectric and acoustooptic characteristics. Combined experimental investigations of acoustic, elastic, piezoelectric, electrooptic, photoelastic and acoustooptic parameters are carried out for LiNbO3, LiNbO3:MgO, La3Ga5SiO11, β -BaB2O4, Cs2HgCl4, CaWO4 and some other crys- tals. They include derivation of complete matrices of the corresponding tensor coefficients, revealing of their anisotropy, along with analysis of the appropriate indicative surfaces, the acoustooptic figure of merit, etc. The anisotropy degree of the parametric crystal optical effects is introduced and calculated for the materials under test. We propose a general technique for optimizing the principal characteristics of electrooptic and acoustooptic cells. It is demonstrated that there exist specific directions of light propagation, light polarization, application of external electric or static mechanical (or acoustic) fields and the acoustic wave polarization, for which the efficiency of electrooptic (or acoustooptic) interactions and the characteristics of the corresponding cells for controlling laser radiation turn out to be substantially higher than those commonly believed to be the limits for a given material. The possibilities, specific conditions and the experimental geometries are analyzed, which prove to be promising for practical utilization of anisotropic crystalline materials studied in the framework of this thesis.