ОПТИКА И СПЕКТРОСКОПИЯ, 2015, том 118, № 2, с. 269-272
^ СПЕКТРОСКОПИЯ
КОНДЕНСИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ
УДК 535.56
ОЦЕНКА ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИХ КОЭФФИЦИЕНТОВ КРИСТАЛЛОВ LiNbO3, SrxBa(1 - x)Nb2O6 ПО МОДУЛЯЦИИ КОЭФФИЦИЕНТА ОТРАЖЕНИЯ СВЕТА
© 2015 г. А. В. Князьков
Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, 195251 Санкт-Петербург, Россия
E-mail: akniazkov@mail.ru Поступила в редакцию 12.02.2014 г.
Рассмотрен метод оценки величины электрооптических коэффициентов кристаллов по величине модуляции коэффициента отражения обыкновенно и необыкновенно поляризованного света, падающего на поверхность электрооптической среды. Приведены результаты измерений наведенного двулучепреломления в переменном электрическом поле для кристаллов LiNbO3, Sr^Ba^ _ x)Nb2O6 (x = 0.61). По результатам измерений вычислены электрооптические коэффициенты r13, r33, r22.
DOI: 10.7868/S0030403415020099
Индуцированное изменение двулучепреломления электрооптических (ЭО) сред под действием электрического поля описывается при помощи ЭО коэффициентов. Измерение ЭО коэффициентов основано на определении разности фазовых задержек обыкновенно и необыкновенно поляризованных световых волн, прошедших ЭО среду, и наиболее просто осуществляется в интерферометрических схемах (поляризацион-но-оптических схемах) [1—3]. Для поглощающих ЭО сред и тонких ЭО пленок интенсивность и фаза прошедших волн может оказаться недостаточной для проведения достоверных измерений. С другой стороны, оптическая волна, падающая на границу раздела воздух — ЭО среда, всегда испытывает отражение от границы раздела из-за разности показателей преломления [4].
Предлагаемый метод оценки величины электрооптических коэффициентов основывается на законах отражения. Коэффициент отражения Я определяется относительными показателями преломления п границы раздела сред в соответствии с законами Френеля [4, 5]. Наиболее простое выражение для коэффициента отражения Я реализуется в случае изотропных сред для нормального падения волны без учета проводимости среды:
R
-(—)2-
\n +1/
(1)
Измеряя коэффициент отражения, можно оценить показатель преломления среды, а измеряя величину изменения коэффициента отражения под действием поля, можно оценить величину индуцированного изменения показателя преломления и тем самым определить ЭО коэффициент среды.
В отличие от изотропных сред отражение света ЭО кристаллами в общем случае описывается довольно сложным образом [6]. Существенные упрощения были достигнуты для сред со слабой анизотропией [7, 8]. В силу этого экспериментальные методы определения индуцированного изменения показателя преломления ЭО кристаллов являются наиболее предпочтительными.
Отражательная методика измерения показателя преломления находит применение в спектрометрической эллипсометрии кристаллов КТР [9], для измерения двулучепреломления [ 10]. Анализ проявления двулучепреломления при наклонном и нормальном падении поляризованного света на одноосные ЭО кристаллы проведен в работе [11]. Подробный анализ методов рефрактометрии по отражению света представлен в работе [12], а в работе [13] описан прецизионный метод измерения показателя преломления материалов при наклонном отражении по определению значения угла Брюстера.
В нашей работе [ 14] был предложен метод измерения величины индуцированного двулуче-преломления по модуляции коэффициента отражения переменным электрическим полем на примере ЭО керамики цирконата титаната свинца, легированного лантаном (ЦТСЛ). В настоящей работе приведены результаты оценки ЭО коэффициентов индуцированного двулучепрелом-ления кристаллов Ы№03 (ЬМО), 5гхВаа _ х)№206 (х = 0.61) (8ВМ) для случая нормального отражения, полученные по аналогичной методике.
Для пропускающей методики измерений ЭО коэффициентов электрическое поле, индуцирующее изменение двулучепреломления ЭО среды,
270
КНЯЗЬКОВ
И I 9 -[101
/
5
Рис. 1. Схема экспериментальной установки для исследования ЭО коэффициентов индуцированного двулучепреломления по нормальному отражению поляризованного света: 1 — образец ЭО кристалла с пла-нарными электродами 2, 3 — лазерный источник света, 4 — дисперсионная призма, 5 — поляризатор регулировки мощности, 6 — ориентационный поляризатор, 7 — полупрозрачное зеркало, 8 — фотодатчик с предварительным усилителем, 9 — селективный усилитель, 10 — регистрирующий осциллограф, 11 — задающий низкочастотный генератор, 12 — высоковольтный трансформатор.
создается в объеме среды при помощи электродов, расположенных на противоположных поверхностях образца, и направлено либо вдоль направления распространения волны (продольный ЭО эффект), либо поперек (поперечный ЭО эффект). В предлагаемой отражательной методике индуцированное изменение двулучепреломления бДп создается электрическим полем при помощи планарных электродов на поверхности ЭО среды. Оптическая индикатриса показателя преломления изотропного диэлектрика (как, например, в случае ЭО ЦТСЛ керамики) деформируется под действием поля Е с образованием оптической оси, ориентированной по электрическому полю. Электрическое поле изменяет показатель преломления среды, максимальное изменение которого испытывает необыкновенно поляризованная световая волна (с поляризацией, перпендикулярной оптической оси).
Изменение показателя преломления бп в силу ЭО эффекта приведет к изменению коэффициента отражения бЯ, которое для нормального падения света, учитывая (1), можно записать в виде
8 Я -8!л -дЯ 8п - ^
1)
10
дп
(п +1)3
8п,
|8п| - -)
(2)
поЛ{ E,
где б!Я — изменение отраженной интенсивности за счет индуцированного изменения показателя преломления, 10 — интенсивность падающей волны, п — показатель преломления, равный либо по для обыкновенной волны, либо пе для необыкновенной волны, определяемый ориентацией плос-
кости поляризации падающей волны, геГ — эффективный ЭО коэффициент.
Схема экспериментальной установки для исследования ЭО коэффициентов индуцированного двулучепреломления по отражению света при нормальном падении показана на рис. 1. Источником света служили полупроводниковые лазеры с удвоением частоты излучения 3 (лазерные модули DPSS: модель TD-GP (100 мВт) и модель 303 с длинами волн излучения 532 нм (полупроводниковые лазеры зеленого спектра излучения)). Излучение расщеплялось дисперсионной призмой 4 на два пучка: пучок основной второй гармоники и пучок остаточного излучения первой гармоники. Мощность излучения второй гармоники регулировалась при помощи поляризатора 5. Далее плоскость поляризации этого пучка ориентировалась либо по полю (обыкновенная волна), либо перпендикулярно полю (необыкновенная волна) поляризатором 6. Пучок проходил через полупрозрачное зеркало 7 и по нормали падал на образец кристалла 1 в зазор между планарными электродами 2. После отражения от поверхности образца пучок отражался полупрозрачным зеркалом и попадал на фоторегистрирующий датчик 8 (фотодиод с трансимпедансным усилителем 0РТ101). Сигнал датчика подавался на селективный усилитель 9 (нановольтметр ипрап 233) и регистрировался осциллографом 10. На планарные электроды 2 образца 1 подавалось высоковольтное напряжение, которое формировалось высоковольтным трансформатором 12 от задающего управляемого генератора низкой частоты 11. Высоковольтное синусоидальное напряжение частотой 80 Гц в процессе измерений плавно увеличивалось до 3.5 кВ и затем плавно спадало. В силу линейности ЭО эффекта в исследованных кристаллах модуляционный сигнал изменения отражения регистрировался на первой гармонике прикладываемого напряжения.
Исследовались наиболее популярные ориентации срезов ЭО кристаллов Ы№03, SrxBa(1 _ Х)№>206 (х = 0.61). Направление прикладываемого электрического поля выбиралось из соображений наиболее простого описания ЭО эффекта. Ориентация поляризации падающего пучка соответствовала обыкновенной и необыкновенной поляризациям волны для ЭО кристаллов в отсутствие электрического поля.
Кристаллы Ы№03 в отсутствие электрического поля являются одноосными ЭО кристаллами. В этих кристаллах под действием внешнего электрического поля происходит деформация эллиптической оптической индикатрисы показателя преломления, и кристаллы становятся двухосными. Направления нормального падения света и прикладываемого электрического поля совпада-
ОЦЕНКА ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИХ КОЭФФИЦИЕНТОВ КРИСТАЛЛОВ
271
Рис. 2. У-срез кристаллов ЫКЬ03 и БВК с планарны-ми электродами для создания поля по оптической оси с нормально падающим пучком обыкновенной (а) и необыкновенной (б) поляризаций.
8п, 10"3
0.05 0.04 0.03 0.02 0.01
0
(а)
• •
'.Л'
ли с главными кристаллографическими осями кристалла.
Исследовались образцы Y и Z срезов. Чтобы исключить влияние отражения от поверхности задней грани кристалла, она не полировалась. В образцах YY-среза в случае приложенного поля в направлении оси кристалла (рис. 2) индуцированные изменения показателей преломления для обыкновенной и необыкновенной волн описываются следующими выражениями [1]:
1 3 1 3
Ъп0 = - 2 по0 r13 Е z , Ьпе = - 2 ne0r33Ez. (3)
Для кристаллов LiNbO3 Z-среза индуцированное изменение двулучепреломления определяется ЭО коэффициентом r22 [2]:
Ъп = п0г99 Е
0'22^ х, у
(4)
Геометрия образцов Z-среза отличается от геометрии 1-среза (рис. 2) только тем, что ось Z параллельна направлению падения пучка, а направление поля Е совпадает с осью У.
Из выражений (2) видно, что изменение коэффициента отражения б^ пропорционально индуцированному изменению показателя преломления бп с коэффициентом 4(п - 1)/(п + 1)3. Расчет ЭО коэффициентов производился по экспериментальным зависимостям модуляции коэффициента отражения бЯ(Е) от поля, по которым строились графики индуцированного изменения показателя преломления бп(Е). Расчетная формула для ЭО коэффициентов определяется следующим выражением:
Aef
= 2 дЪп (1)3 = Ъ!ж ( п +1
дЕ\п) 2/0(п -1)1 п
(5)
Типичные зависимости изменения индуцированного показателя преломления от величины электрического поля между планарными электродами для кристаллов ЫЫЬ03 показаны на рис. 3, а для кристаллов — на рис. 4.
0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0
0.14 0.12 0.10 0.08 0.06 0.04 0.
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.