НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, 2015, том 51, № 11, с. 1190-1197
УДК 535.361
КОМБИНАЦИОННОЕ РАССЕЯНИЕ СВЕТА НА ПРОДОЛЬНЫХ И ПОПЕРЕЧНЫХ ОПТИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЯХ В МОНОКРИСТАЛЛАХ НИОБАТА ЛИТИЯ © 2015 г. В. С. Горелик, П. П. Свербиль
Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук, Москва e-mail: gorelik@sci.lebedev.ru Поступила в редакцию 19.03.2015 г.
Выполнены исследования спектров комбинационного рассеяния в монодоменных кристаллах нио-бата лития конгруэнтного состава для геометрий рассеяния "вперед" и "назад". При этом возбуждающее лазерное излучение распространялось вдоль или перпендикулярно сегнетоэлектрической оси "Z". Установлены условия возбуждения в спектрах комбинационного рассеяния поперечных и продольных полярных оптических мод типа Ai(Z) при комнатной температуре. Исследованы закономерности возбуждения спектров комбинационного рассеяния при нескольких поляризационных геометриях: Z(XX; YY; XY)Z; Z(XX; YY; XY)Z; X(ZZ)X; Y(ZZ)Y, X(ZZ)Y. Анализируются условия возбуждения когерентных продольных и поперечных мод в монокристаллах ниобата лития при вынужденном комбинационном рассеянии света.
DOI: 10.7868/S0002337X15100073
ВВЕДЕНИЕ
Кристалл ниобата лития является сегнето-электриком с очень высокой температурой Кюри (1210°С) и большим значением спонтанной поляризации (Р, = 5 х 10-5 Кл/см2) при комнатной температуре [1, 2], что приводит к большому значению напряженности внутреннего эффективного поля в монокристалле. Отсутствие центра инверсии в точечной группе симметрии (Cзv) этого кристалла и высокие значения нелинейно-оптических коэффициентов обусловливают возможность использования монокристаллов ниобата лития для генерации оптических гармоник и параметрического преобразования электромагнитного излучения из видимой области спектра в инфракрасный диапазон, включая терагерцовую область спектра. Для эффективного использования кристалла ниобата лития как нелинейно-оптического материала необходимо проведение детальных исследований спектров колебаний кристаллической решетки и условий существования по-ляритонных волн [3—6] в этом кристалле. Такие сведения можно получить из экспериментов по спонтанному и вынужденному комбинационному рассеянию (КР) света. Закономерности в спектрах спонтанного и вынужденного КР света исследованы в ряде работ [5—12]. Особый интерес как с фундаментальной точки зрения, так и для приложений представляют поперечные и продольные оптические колебания кристаллической решетки ниобата лития, характеризующиеся сильным взаимодействием с электромагнитными волнами. При этом в терагерцовом спектральном диа-
пазоне в кристалле формируются поляритонные волны, а также продольные кулоновские возбуждения.
В настоящей работе ставилась задача получения информации о закономерностях в спектрах КР монокристаллов ниобата лития при геометриях рассеяния, обеспечивающих возбуждение продольных (кулоновских) и поперечных оптических колебаний, классифицируемых типом симметрии Л1(2). Анализируется возможность возбуждения когерентных продольных (кулоновских) и поперечных оптических мод типа Л^) в монокристалле ниобата лития при вынужденном КР.
ТЕОРЕТИКО-ГРУППОВОЙ АНАЛИЗ КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ СПЕКТРОВ НИОБАТА ЛИТИЯ
Ниобат лития является отрицательным одноосным (пе = 2.2082, п0 = 2.2967 для X = 0.6 мкм) кристаллом, структура которого при обычных условиях характеризуется отсутствием центра инверсии. Пространственная группа симметрии кристаллов ниобата лития при комнатной температуре — С (Я3е) [2]. Структура этого кристалла относится к ромбоэдрической сингонии с параметрами элементарной ячейки: а = 0.5492 нм, а = 55°53'. Кристалл ниобата лития является сегнетоэлек-триком и претерпевает фазовый переход из пироэлектрической фазы в параэлектрическую при высокой температуре (1210°С). При комнатной температуре кристаллическая решетка ниобата лития представляет собой искаженную перов-
6
Характеры представлений точечной группы С^; а = 1 (а1 + а2 + а3) — вектор частичной трансляции пр. гр. С
(Я3е); а, а у — компоненты вектора и симметричного тензора второго ранга, преобразующиеся по соответствующим неприводимым представлениям группы С3^
С^ (Л3с); Cзv Е С а ау
а 0 0 а
¿1 1 1 1 Z XX, УУ, ZZ
А2 1 1 -1
Е 2 -1 0 X, У XX, УУ, ХУ, Х^ УZ
V 3 0 1
V 3 0 -1
[V]2 6 0 2
[V]2 ® V 18 0 2
27 0 -1
скитную структуру с двумя формульными единицами LiNbO3 в ромбоэдрической примитивной ячейке [2]. В таблице приведены характеры векторного V, псевдовекторного V, симметричного тензора второго ранга [ V]2, тензора третьего ранга [V]2 ® Vи оптического Хр представлений точечной группы симметрии С3„ а также число п0 ионов, остающихся на месте (с точностью до чистых трансляций) при преобразованиях симметрии пр. гр. С^ (К3е). Как следует из таблицы,
представления V, V, [V]2, [V]2 ® Vи Topt для сегне-тоэлектрической фазы ниобата лития имеют вид:
V = А1 + Е; V = А2 + Е; [V]2 = 2А1 + 2Е;
[V]2 ® V = 4А1 + 2А2 + 6Е; (1)
Гор1 = 4 Ах(!) + 9Е(Х ,У) + 5А2.
Оптические моды типа А1^ являются полярными колебаниями ионов вдоль сегнетоэлектриче-ской оси Z, моды типа E(X, У) соответствуют ос-цилляциям, перпендикулярным этой оси, а колебания типа А2 относятся к псевдоскалярному типу симметрии, запрещенному правилами отбора для процессов инфракрасного поглощения и КР, но разрешенному для процессов гиперкомбинационного рассеяния света. Тензор для разрешенных в спектре КР мод имеет вид:
а 0 0 с 0 0
А1 (I): 0 а 0 ; Е ( У): 0 (-с) й
0 0 Ь 0 й 0_
(2)
Е( X):
0 (-с )(-й) (-с) 0 0 (-й) 0 0
В соответствии с результатами теоретико-группового анализа (1) и известными свойствами [3, 4] полярных мод в нецентросимметричных кристаллах в спектрах КР монокристалла ниобата лития следует ожидать проявления поперечных ТО и продольных ЕО оптических мод: А1 ^)(ТО, ЕО) и Е(Х, У) (ТО, ЕО), а также поляритонных состояний, зависящих от угла сбора рассеянного излучения.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Для исследования особенностей спектров КР на продольных и поперечных модах в кристаллах ниобата лития нами использовались экспериментальные схемы, приведенные на рис. 1 и 2.
Излучение лазера (1) на алюмоиттриевом гранате (YAG : Nd3+), работающего в непрерывном режиме с мощностью 20 мВт, направлялось на образец (3) вдоль (см. рис. 1а, 1б) направления спонтанной поляризации Р(7,), а рассеянное излучение регистрировалось в этом же (рис. 1а) или в обратном (рис. 1б) направлениях. При этом реализовывались поляризационные геометрии "вперед" Z(XX; УУ;
XУ)Zи "назад" (I(XX;УУ; ХУ)1) соответственно. В случае использования схемы, представленной на рис. 1в, возбуждающее излучение направлялось на монокристалл перпендикулярно направлению Р((7,). Диафрагма 4 использовалась для изменения угла сбора рассеянного излучения, а зеркальный отражатель 9 (см. рис. 1б) применялся для формирования пучка возбуждающего излучения в обратном направлении. При геометриях рассеяния, представленных на рис. 1а, 1б, основной вклад в наблюдаемые спектры КР в соответствии с правилами отбора в спектрах КР должны вносить А1(ЕО)-типы колебаний, а также двукратно
1192 (а)
1
(б)
(в)
-X-
с!—»-
2 4 5' 5
\
Р,
Г
2 3
z а-► х
Рис. 2. Схема экспериментальной установки для исследования спектров КР на поперечных оптических модах типа Л1^) ниобата лития при геометрии рассеяния X(ZZ) У: 1 - гелий-неоновый лазер, 2 - поляризатор, 3 —длиннофокусная линза, 4 - ориентированный монокристалл ниобата лития, 5 — диафрагма, 6 -короткофокусные линзы, 7 - анализатор, 8 - спектрометр-двойной монохроматор, 9 - компьютер.
У
Рис. 1. Схемы экспериментальных установок для исследования спектров КР на продольных (а, б) и поперечных (в) оптических модах типа Л1^) ниобата лития: 1 - лазер, 2 - длиннофокусная линза, 3 - ориентированный монокристалл ниобата лития, 4 -диафрагма, 5 — короткофокусные линзы, 6 - нотч-фильтр, 7 - миниспектрометр, 8 - компьютер, 9 -зеркало.
вырожденные Е( ТО)-моды (оптические фононы и поляритоны) [2].
Нотч-фильтр 6 использовался для отражения лазерного излучения и пропускания сигнала КР. Рассеянное излучение фокусировалось на входную щель миниспектрометра 7, характеризующегося высоким спектральным разрешением (около 1 см-1) в спектральном диапазоне, соответствующем стоксову КР (0-2000 см-1). Регистрация спектров КР в схемах рис. 1а, 1б осуществлялась многоэлементным приемником в виде CCD-матрицы. Экспозиции варьировались в диапазоне 1-32 с. Цифровая обработка спектров КР осуществлялась с помощью компьютера 8.
Для исследования поперечных Л1^ )ТО-мод применялась экспериментальная установка [5] на основе двойного монохроматора ДФС-24 в режиме сканирования по длинам волн (рис. 2). Излучение регистрировалось электронным фотоумножителем ФЭУ-79, работающим в режиме счета фотонов. Спектры КР возбуждались гелий-неоновым лазером с мощностью 5 мВт. В кристалле ниобата лития излучение распространялось перпендикулярно сегнетоэлектрической оси Z кристалла. Рисунок 2 соответствует поляризационной геометрии X(ZZ) У, при которой возбуждаются поперечные Л1^ )ТО-моды. Исследовался монодоменный кристалл ниобата лития конгруэнтного состава размером 10 х 10 х 30 мм. При этом ось Z (длинная сторона) соответствовала направлению спонтанной поляризации.
Вид полученных спектров КР кристалла ниобата лития при геометрии рассеяния "назад" (см. рис. 1б) при Т = 300 К иллюстрирует рис. 3.
В этих спектрах, в согласии с правилами отбора, обнаруживаются фундаментальные колебания Ы^О, 2Л1ХО, 3Л1ХО, 4Л1ЬО. Частоты этих ко-
I, отн. ед. 1.0
0.8
0.6
878 0\AXLO)
0.4
370 (5ETO) 336 (2A1LO) 272 (\A1LO)
436 (3A1LO;6ETO) 584 (7ETO)
240 (2ETO) 155 (1ETO)
745 (8ETO)
150
300
450 600 v, см-1
750
900
Рис. 3. Спектры КР монокристалла ниобата лития при геометрии рассеяния "назад": Z(XX; УУ; ХУ)Z.
лебаний при комнатной температуре соответственно равны: 272, 336, 436 и 878 см-1. При этом наибольшая интенсивность в обсуждаемом спектре КР соответствует высокочастотной моде 4AjLO — 878 см-1. Кроме того, в соответствии с видом тензора КР (2) в наблюдаемых спектрах проявляются двукратно вырожденные ETO-м
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.