Особенности образования конической рефракции в оптических кристаллах

Явления внутренней и внешней конической рефракции, предсказанные Гамильтоном в 1832 г. и впервые экспериментально обнаруженные Ллойдом, вызывают до сих пор значительный интерес физиков. Явление конической рефракции — своеобразного преломления световых лучей в кристалле не в виде отдельных лучей, а в виде совокупности лучей, распространяющихся вдоль образующих конической поверхности, с точки зрения физики несколько необычно и уникально. Значителен интерес физиков к экспериментам по применению явления конической рефракции в технических устройствах. Одно из первых предложений по модуляции оптического излучения с помощью конической рефракции оказалось несостоятельным, так как падающий на кристалл луч «рассыпается» в полуконус или даже в конус лучей.

Это явление долгое время считалось полностью исследованным и не содержащим белых пятен. Оказалось, что это не соответствует действительности и это явление может быть использовано и в практических целях.

В последние годы интерес к явлению конической рефракции оживился [1−14]. В основном явление исследовалось чисто теоретически, с использованием специальных функций и Фурье-преобразований.

На основе решения уравнений Максвелла для плоских волн выявлена аналогия между поведением однородных волн, как в случае внутренней конической рефракции, так и при вынужденной гиро-тропии, обусловленной внешним магнитным полем [1]. В обоих случаях перемещение энергии волны в кристалле происходит одновременно с фазой и в направлении, зависящем от нее.

На основании рассмотрения потока энергии линейно поляризованного пучка, распространяющегося вдоль и вблизи лучевой оптической оси, возникает не один луч, а конус лучей [2]. Таким образом, отвергается предложение об использовании внешней конической рефракции для сканирования света.

При использовании метода представления ограниченного светового пучка в виде углового спектра плоских волн различных амплитуд и направлений распространения исследовано прохождение световых пучков вдоль оптических осей двуосных кристаллов с учетом расходимости пучка [7, 9]. Получено, что при внешней конической рефракции на выходе из кристалла должен наблюдаться астигматический гауссов пучок эллиптического поперечного сечения [7]. Для случая внутренней конической рефракции получено выражение для распределения интенсивности для неполяризованного света, при этом сечение пучка не меняется [9]. Интенсивность в середине кольца примерно в 8 раз меньше, чем на внешнем краю.

На основе решения волнового уравнения для гауссовых импульсов и пучков [3, 8], обнаружено, что в магнитных диэлектриках конус рефракции является эллиптическим, получено выражение кривизны поверхности волновых векторов в направлении оптических осей, которая определяет расплывание пучков в кристаллах. При отрицательной или близкой к нулю кривизне параллельные в воздухе пучки в гиротропном кристалле становятся сходящимися, то есть фокусируются [3]. Представлено количественное описание данного эффекта, а также выявлено влияние внешних воздействий на эффект самофокусировки излучения в гиротропной среде [4−5].

Предложен способ наблюдения «касательной конической рефракции» — линейной трансформации световых волн в плавно неоднородной среде в окрестностях точек, где коэффициенты преломления обыкновенных и необыкновенных волн совпадают между собой [11].

Теоретически предсказано появление вторичных минимумов в распределении интенсивности конической рефракции внутри конуса конической рефракции [12], которые, в принципе, могут быть обусловлены явлениями дифракции при фокусировке узкого луча [1516], так как узкий лазерный луч фокусируется в пятно конечного диаметра. Измерения [13] лишь качественно указывают на появление подобных вторичных минимумов для конической рефракции в оптически активной среде.

На необычно вырезанном кристалле КТР — в виде сферы, получили пространственное распределение интенсивности с диаметром кольца на экране порядка 10 см. На основании проведенных измерений построена качественная кривая распределения интенсивности в кольце конической рефракции [14].

Обнаружено и исследовано явление конической рефракции на частоте второй оптической гармоники на кристаллах а-НГО3, и фор-миата лития [17−23].

Основываясь на результатах изучения предыдущих исследований можно сделать вывод, что в данном направлении существует немало белых пятен в теории и эксперименте по конической рефракции. В частности, не проведены исследования динамики образования колец конической рефракции, что является очень важным для понимания происходящего явленияне имеется информации о протекании явления конической рефракции в сильно расходящихся и сходящихся пучках излучениянет соответствующих методик наблюдения конической рефракции в расходящихся и сходящихся пучках излучения, в том числе с использованием микроскопанет даже упоминаний о существовании явления теневой конической рефракциине исследованы особенности конической рефракции для кристаллов, вырезанных под углом к оптической осине исследовано отображение и трансформация оптического изображения (различных геометрических фигур) при наблюдении через кристалл в условиях внутренней конической рефракции.

Таким образом, совокупность неисследованных направлений в области конической рефракции в физическом плане и в плане прикладных разработок является важной, актуальной и требует дальнейших систематических исследований.

В диссертационной работе представлены результаты экспериментальных и теоретических исследований конической рефракции в кристаллах формиата лития, пентабората калия и других.

Целью данной работы является выявление и исследование закономерностей образования и протекания конической рефракции, формирования изображения в условиях конической рефракции, разработка и обоснование новых возможностей наблюдения конической рефракции.

Для достижения указанной цели в диссертационной работе необходимо решить следующие задачи:

1. Исследовать динамику образования колец конической рефракции;

2. Исследовать возможность регистрации колец конической рефракции в сходящихся и расходящихся пучках излучения;

3. Изучить возможность образования теневой конической рефракции;

4. Рассмотреть возможность наблюдения конической рефракции при наклонном падении световых лучей на кристалл;

5. Разработать новые методики наблюдения конической рефракции;

6. Исследовать характерные особенности отображения оптической информации через кристаллическую пластинку в условиях конической рефракции.

В результате решения поставленных задач получены следующие научные результаты:

• Исследованы новые физические процессы, связанные с явлением конической рефракции;

• Освещены новые стороны данного явления с физической точки зрения.

• Разработаны новые методики наблюдения конической рефракции;

• Впервые зарегистрировано явление теневой конической рефракции;

• Впервые проведены наблюдения по новой методике с использованием гомоцентрических пучков.

Все полученные в диссертационной работе научные результаты и используемые методики могут быть использованы при создании систем отображения и обработки оптической информации, необходимых для создания оптических вычислительных машин. Такие системы могут быть разработаны на основе явления конической рефракции и устройств поляризационной голографии [24].

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в работах [25−33] и докладывались автором:

1. на 43-й научной конференции ХГПУ, 1997 г.

2. на 2-й Международной конференции «Проблемы транспорта ДВ», Владивосток, 1−3 окт. 1997 г.

3. на Международной научной конференции молодых ученых Сибири, Дальнего Востока и стран АТР «Молодежь и наука регионам», Хабаровск, 1997 г.

4. на Международном симпозиуме (первые Самсоновские чтения) «Принципы и процессы создания неорганических материалов». 12−16 мая, Хабаровск, 1998 г.

5. XVI International Conference on Coherent and Nonlinear Optics, ICONO'98. Moscow, Russia, June 29-July 3, 1998.

6. на Краевой научной конференции «Физика: Фундаментальные исследования, образование». Хабаровск: ХГТУ, 19−21 окт. 1998 г.

7. на первой Международной научной конференции творческой молодежи «Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке». Хабаровск, 6−8 апреля, 1999 г.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 96 наименований. Общий объем работы составляет 102 страницы, включая 23 рисунка и 1 таблицу.

ВЫВОДЫ.

Результаты четвертой главы сводятся к следующему.

Впервые удалось зарегистрировать явление, по аналогии названное теневой конической рефракцией, в параллельных и в расходящихся пучках излучения. Приведено объяснение формирования теневого изображения обыкновенного и необыкновенного лучей для одноосного кристалла, а также формирование теневого изображения кольца внутренней конической рефракции для двуосного кристалла.

Выявлена возможность наблюдения теневой конической рефракции при генерации второй оптической гармоники.

Исследованы характерные закономерности преобразования оптических изображений (окружности, прямой линии, двух пересекающихся прямых, треугольника) в условиях конической рефракции.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе получены следующие научные результаты:

1. Проведен анализ динамики образования колец внутренней конической рефракции. Выявлено, что происходит неодновременное рассыпание в дужки световых лучей в кристалле по мере приближения направления волнового вектора падающего лазерного луча к направлению оптической оси кристалла.

2. В результате анализа диаметра падающего пучка и его расходимости выявлены условия наблюдения максимально четкого изображения распределения интенсивности излучения в кольце внутренней конической рефракции.

3. Теоретически рассчитаны углы сноса луча в кристалле для плоскостей xz, ху, yz. Расчет выполнен для кристаллов LFM, KNbOs, КВ5. Установлена зависимость величины сноса от угла вектора поляризации падающего излучения.

4. Разработаны новые методики исследования и регистрации конической рефракции в расходящихся и сходящихся световых пучках. Проведен анализ особенностей разработанных методик.

5. Показано, что при использовании широкоапертурного объектива возможна фиксация полной информации об образовании картины конической рефракции. В случае объектива с малой угловой апертурой происходит лишь выборка отдельных изображений распределения интенсивности в кольцах конической рефракции.

6. Выявлены особенности экспериментальных исследований конической рефракции в случае расположения оптической оси под углом к входной грани плоскопараллельной кристаллической пластинки.

Результаты экспериментов при использовании параллельных пучков излучения в экспериментах с кристаллом, у которого оптическая ось расположена под углом к входной грани, совпадают с результатами наблюдения данного явления для нормально расположенной оптической оси относительно входной грани кристалла.

7. Определена дисперсия оптических осей (угла 26 между оптическими осями в плоскости хг) для формиата лития. Экспериментальные измерения угла 26 совпадают с вычисленными значениями с точностью, не хуже ±0,1 градус.

8. Обнаружена и впервые исследована в кристаллах формиата лития теневая коническая рефракция света.

9. Рассчитаны картины теневой конической рефракции для разных типов взаимодействий в кристалле формиата лития в случае генерации оптических гармоник.

10.Исследовано отображение различных геометрических фигур (нескольких точек, расположенных на одной прямой, окружности, треугольника) при наблюдении их через кристалл формиата лития в условиях проявления конической рефракции.

Все полученные результаты наряду с явлением поляризационной голографической записи информации могут быть использованы при практических разработках уникальных приборов, предназначенных для хранения и обработки информации, а также приборов оптической связи, новых систем неразрушающих исследований и контроля.