9.11. ОПТИЧЕСКАЯ НЕОДНОРОДНОСТЬ И НЕСТАБИЛЬНОСТЬ СВОЙСТВ КРИСТАЛЛОВ

9.11.1. ХАРАКТЕРИСТИКА ОПТИЧЕСКОЙ НЕОДНОРОДНОСТИ И МЕТОДЫ ЕЕ ИЗМЕРЕНИЯ

Оптическая неоднородность - неоднородность показателя преломления - возникает под действием механических напряжений вследствие упруго-оптического эффекта или под действием электрических полей вследствие электрооптического эффекта. Оптическая неоднородность является прямым следствием структурной неоднородности и обычно проявляется как аномальное двупреломление при прохождении света в системе поляризатор - кристалл - анализатор.

Для оценки неоднородности кристалла или кристаллического оптического элемента чаще всего используются поляризационно-оптические методы. Эти методы особенно удобны при исследовании одноосных кристаллов, когда при прохождении света вдоль оптической оси кристалла, находящегося между скрещенными поляроидами, следует ожидать полного затемнения. В действительности полного затемнения не наблюдается, так как в одноосных кристаллах неоднородность приводит к и аномальной двуосности, которую нельзя скомпенсировать поворотом плоскости анализатора.

Для определения оптической однородности кристалла или кристаллического элемента используются несколько характеристик, к числу которых относятся: остаточный световой поток (ОСП), контрастность, аномальная двуосность и эллиптичность.

Остаточный световой поток определяется как

где - интенсивность света, прошедшего через систему поляризатор - кристалл - анализатор вдоль оптической оси кристалла при скрещенных и параллельных поляризаторах соответственно.

Для электрооптических элементов в качестве критерия однородности часто используются коэффициент контрастности и коэффициент эллиптичности Коэффициенты контрастности при скрещенных и параллельных поляроидах определяются выражениями

Здесь - интенсивность света, прошедшего через систему поляризатор - кристалл - анализатор, при воздействии на кристаллический элемент полуволнового напряжения;

интенсивности света, прошедшего через систему поляризатор - кристалл - анализатор при

Коэффициенты эллиптичности определяются выражениями

Существенным недостатком этих критериев является то, что они связаны с не прямо, а через функции типа где X - длина волны света; - длина кристалла.

ОСП измеряются при полной апертуре луча, проходящего через кристалл, и являются интегральными характеристиками неоднородности. Наблюдение кристалла, находящегося между скрещенными поляроидами, выявляет картину неоднородности в виде светлых и темных пятен.

При прохождении узкоапертурного, расходящегося луча через различные области кристалла и наблюдении коноскопических фигур можно видеть неоднородность кристалла, характеризующуюся различной величиной аномальной двуосности (рис. 9.57). Как следует из сравнения коноскопических фигур на рис. 9.57, существующая в кристалле аномальная двуосность может быть получена при приложении электрического поля на уровне сотен вольт на 1 см. При совместном вращении скрещенных поляризаторов распределение интенсивности света, прошедшего через систему поляризатор - кристалл - анализатор, изменяется. Интенсивность света, отличная от нуля, при прохождении параллельного луча наблюдается в тех областях кристалла, где имеется аномальная двуосность и главные оси эллипса сечения оптической индикатрисы не совпадают с направлениями пропускания поляризатора и анализатора. Отсюда следует неоднозначность измеряемых величин Наиболее полную информацию об оптической неоднородности можно получить, снимая топограмму аномальной двуосности по всему поперечному сечению кристалла при сканировании его узким, слабо расходящимся пучком света.

Оценить неоднородность кристалла можно, используя различные интерференционные методы. Различие показателя преломления в разных частях кристалла определяется либо по искривлению интерференционных полос (интерферометр Майкельсона) для света, прошедшего через кристалл, помещенный в одно из плеч интерферометра, либо по частоте полос (интерферометр Тваймана - Грина) [159, 160]. Для исследования кристаллических элементов, имеющих по крайней мере две плоскопараллельные оптически отполированные поверхности, удобным оказался метод, в котором в качестве

(кликните для просмотра скана)

интерферометра используется сам кристалл [161, 162]. Этот метод не требует сложного аппаратурного оформления и трудоемкой настройки оптической системы. Наблюдение интерферограмм в отраженном свете проводится при малом (менее 50) отклонении падающего луча от оптической оси кристаллического элемента (рис. 9.58, а). Недостатком такой оптической схемы является то, что в формировании интерференционной картины участвует естественное двупреломление, что затрудняет регистрацию аномальной двуосносги. Этот недостаток можно устранить, поместив на пути луча под углом к нему стеклянную пластинку (рис. 9.58, б). При измерениях используются кристаллические пластинки с гранями, нормальными оптической оси. Интерферограммы кристаллических пластинок в отраженном свете представляют собой систему темных полос различной формы (рис. 9.59). При увеличении угла между падающим лучом и нормалью к грани кристалла (направление оптической оси) интерференционные полосы движутся параллельно самим себе в сторону больших значений М (М - порядок минимума на интерферограмме). Движение полос наблюдается и при вращении плоскости поляризации падающего света. Если ингерферограмма представляет собой систему ровных, параллельных полос, она меньше зависит (или совсем не зависит) от вращения плоскости поляризации падающего света. Эти особенности поведения интерференционной картины определяются эллиптичностью поляризации интерферирующих лучей. Эллиптичность, или форма поляризации света определяется методом Сенармона [163]. Зависимость формы поляризации света от двупреломления и поляризации определяется [164] выражениями

где X - азимут главной оси эллипса поляризации;

- величины главных осей эллипса поляризации;

- эллиптичность;

- сдвиг фаз, возникающий между обыкновенным и необыкновенным лучами при прохождении света через кристалл;

- азимут плоскости поляризации падающего света.

Из (9.38) следует, что чем больше двупреломление (при и, следовательно, вызвавшая его аномальная двуосностъ, тем больше изменение эллиптичности при вращении плоскости поляризации падающего света. Это проявляется в том, что при прохождении луча света через различные участки одного и того же, но неоднородного кристалла наблюдается различие форм поляризации при одинаковом положении поляризаторов. Величина эллиптичности коррелирует и с

(кликните для просмотра скана)

Рис. 9.60. Изменение формы поляризации лучей при вращении плоскости поляризации а: I - луч, отраженный от передней грани образцов; 2,3 - лучн, прошедшие через образцы, имевшие величину ОСП 0,4 и 1,8 % соответственно

величиной ОСП (рис. 9.60). Зная формы поляризации лучей, отраженных от передней и задней граней кристалла (для разделения отражений от передней и задней граней измерения следует проводить на образцах со слегка скошенными гранями), можно с помощью матриц Джонса [165] вычислить результат интерференции этих лучей, т.е. интенсивность освещенности в соответствующих точках интерферограммы. Вектор Джонса линейно поляризованного света, отраженного от передней грани, определяется выражением:

а вектор Джонса, определяющий эллиптичность поляризованного света, прошедшего через образец и отраженного от задней грани, выражением

где - амплитуды колебаний вектора напряженности электрического поля первой и второй волн вдоль осей х и у; - фазы этих колебаний.

Вектор Джонса суммарного пучка равен сумме векторов Джонса интерферирующих лучей

Интенсивность суммарного луча определяется путем умножения вектора Джонса на комплексно сопряженный транспонированный вектор [166]. Полученное в результате выражение для определения интенсивности света в точке интерферограммы при интерференции линейно и эллиптически поляризованных лучей имеет вид

где

Визуально изменение интенсивности света при вращении плоскости поляризации выглядит как смещение интерференционных полос. Для характеристики оптического качества кристалла, коррелирующей с ОСП, можно измерить зависимость интенсивности света в какой-либо точке интерферограммы (рис. 9.61 и 9.62) от угла поворота поляризатора а и взять максимальный градиент

Дифракционные методы целесообразно применять при оценке качества кристаллов, в тех случаях, когда при использовании кристаллов важна расходимость луча. Например, для оценки оптической неоднородности использовалась дифракция Фраунгофера на круглом отверстии при измерении параметра «сигнал шум» [167]. Метод основан на том, что при дифракции света, прошедшего через отверстие круглой формы, измеряется отношение интенсивностей в первом и нулевом дифракционных максимумах для луча, прошедшего через кристалл и через эталон или воздух

Характеристика «сигнал/шум» (С/Ш) определяется из выражения

Метод С/Ш дает хорошие результаты для кристаллов, имеющих невысокую однородность. Для оптически однородных кристаллов знаменатель в выражении (9.43) стремится к нулю, что ведет к резкому увеличению ошибок при определении величины С/Ш.

Кристаллические элементы пригодны для использования в электрооптике или в нелинейной оптике в том случае, если их ОСП не превосходит контрастность находится на уровне отношение С/Ш превосходит 2102. Эти величины достаточно легко достигаются в кристаллах, не обладающих электр о оптическим эффектом.

Рис. 9.61. Расчет интенсивности света в данной точке ннтерферограммы в зависимости от вращения плоскости поляризации падающего света. Величины принятые в расчетах:

Рис. 9.62. Экспериментальная зависимость интенсивности света в данной точке ннтерферограммы от вращения плоскости поляризации падающего света для кристаллов с величиной ОСП, равной,

В этих кристаллах оптическая неоднородность в основном определяется упругооптическим эффектом. Упругооптические коэффициенты относительно невелики и слабо зависят от типа кристалла. Поэтому оптическая неоднородность, вызванная только упругооптическим эффектом, относительно невелика. В этом случае оптическая неоднородность определяется остаточными упругими напряжениями. Эти напряжения весьма стабильны при низких температурах и могут изменяться только под действием высокотемпературного отжига. Поэтому и оптическая однородность этих кристаллов стабильна при низких (комнатных) температурах. Примером таких кристаллов являются используемые в акустооптике.

Существенно меняется ситуация в кристаллах, обладающих сильным электрооптическим эффектом. При том же структурном совершенстве электрооптические кристаллы оказываются гораздо более неоднородными в оптическом отношении, чем кристаллы, не обладающие этим эффектом. Примером кристалла, в котором электрооптический эффект играет решающую роль в определении его оптической однородности, является ниобат лития. Важность этого кристалла для

практического применения требует отдельного рассмотрения его оптической однородности и стабильности к внешним воздействиям.

Однородность кристалла может меняться под воздействием внешних факторов, в частности, под действием температуры, электрических полей, оптического излучения. Воздействие мощного лазерного излучения может приводить как к необратимым изменениям оптических свойств, так и к потере сплошности кристалл, к их разрушению. Поэтому для характеристики устойчивости кристалла к воздействию оптического излучения используются две характеристики:

1. Лазерная (оптическая) стойкость, определяемая как изменение контрастности под действием света. Оценивается мощность или энергия импульсов света, для которых изменение контрастности не превосходит определенную величину (обычно 0,005).

2. Лазерная (оптическая) прочность, определяемая как пороговая энергия, которую выдерживает оптический элемент до появления необратимых разрушений (пор, трещин). При задании этой характеристики рекомендуется указывать режим испытаний (длительность импульсов, их скважность, апертуру излучения и т. д.). Хороший оптический материал должен иметь оптическую прочность в импульсном режиме не менее и в непрерывном режиме более