SU1753375A1

SU1753375A1 - Method for determination of photo-elastic gyrotropic cubic crystals

Info

Publication number: SU1753375A1
Application number: SU904878992A
Authority: SU
Inventors: Владимир Николаевич Белый; Геннадий Андреевич Пашкевич; Петр Иосифович Ропот; Василий Васильевич Шепелевич
Original assignee: Институт физики им.Б.И.Степанова
Priority date: 1990-11-02
Filing date: 1990-11-02
Publication date: 1992-08-07

Abstract

Использование: кристаллооптика. Сущность: провод т четыре измерени азимута дифрагированного в первый пор док света: при первом измерении азимута дифрагированного света возбуждают ультразвуковую (УЗ) волну вдоль оси 001 , а свет посылают вдоль 010, при втором - УЗ волну возбуждают вдоль 001, а свет посылают в направлении 110, при третьем измерении, не мен направлени распространени света, возбуждают УЗ волну вдоль 110, и, наконец, при четвертом, сохран прежним направление света, возбуждают УЗ волну вдоль оси третьего пор дка 111. По измеренным азимутам дифрагированного света на основании предложенной системы линейных неоднородных уравнений вычисл ют фотоупругие посто нные гиротропных кубических кристаллов, 2 ил., 1 табл. (Л СUse: crystal optics. Essence: four measurements of the azimuth of the first-order diffracted light are carried out: when the first measurement of the azimuth of the diffracted light excites the ultrasonic (US) wave along the axis 001, and the light is sent along 010, during the second - the ultrasonic wave is excited along 001, and the light is sent in the direction 110, in the third dimension, not changing the direction of light propagation, excites the ultrasonic wave along 110, and finally, in the fourth, retains the same direction of the light, excites the ultrasonic wave along the axis of the third order 111. On the measured azimuths of the diffracted light, on the basis of the proposed system of linear inhomogeneous equations, compute photoelastic constants of gyrotropic cubic crystals, 2, or 1 tab. (Ls

Description

Изобретение относитс к акустоэ- лектронике и акустооптике и может использоватьс в различных акустоэлект- рооптических системах дл управлени оптическим излучением (модул торах, дефлекторах, акустооптических фильтрах), где необходимо значение фотоупругих свойств кристаллов.The invention relates to acoustoelectronics and acoustooptics and can be used in various acoustoelectro-optical systems for controlling optical radiation (modulators, deflectors, acousto-optical filters) where the value of the photoelastic properties of crystals is necessary.

Известен способ брегговой дифракции (динамический метод), который состоит в измерении интенсивности света, дифрагированного в исследуемом кристалле, и в сравнении ее с интенсивностью света, дифрагированного в веществе (жидкости) с известными фотоупругими свойствами. В насто щее врем используетс методика Диксона-Коэна, где в качестве эталона примен ют плавленный кварцThe known method of Bragg diffraction (dynamic method), which consists in measuring the intensity of light diffracted in a crystal under study, and comparing it with the intensity of light diffracted in a substance (liquid) with known photoelastic properties. Currently, the Dixon-Cohen technique is used, where fused quartz is used as a reference.

Недостатком известного способа вл етс невозможность определени фотоупругих посто нных гиротропных кристаллов, обладающих вращением плоскости пол ризации .The disadvantage of this method is the impossibility of determining photoelastic permanent gyrotropic crystals with rotation of the polarization plane.

Известен модифицированный способ Диксона-Коэна, который благодар выбору области акустооптического взаимодействи менее одного миллиметра позволил уменьшить вли ние оптической активности на эффективность дифракции, что, в свою очередь, дало возможность определ ть фотоупругие свойства гиротропных кубических кристаллов.The modified Dixon-Cohen method is known, which, by choosing an acousto-optic interaction region of less than one millimeter, reduced the influence of optical activity on diffraction efficiency, which, in turn, made it possible to determine the photoelastic properties of gyrotropic cubic crystals.

К недостаткам данного способа относ тс низка точность проводимых измерений , обусловленна высоким значением удельного вращени (22 град/мм дл The disadvantages of this method are the low accuracy of the measurements, due to the high value of the specific rotation (22 degrees / mm for

vi ел со со VI елvi ate with vi ate

Bii2Ge02o), которое не позвол ет исключить зависимость эффективности дифракции от пол ризации излучени , невозможность установки нужного начального азимута пол ризации и точного определени длины области акустооптического взаимодействи из-за расходимости ультразвукового пучка, зависимость эффективности во времени дл фоторефрактивных кристаллов, особенно в области спада кривой поглощени .Bii2Ge02o), which does not allow to exclude the dependence of the diffraction efficiency on the polarization of radiation, the impossibility of setting the desired initial azimuth of polarization and accurate determination of the length of the acousto-optic interaction region, due to the divergence of the ultrasonic beam, the efficiency over time for photorefractive crystals, especially in the decay region of the curve absorption.

Наиболее близким по технической сущности к за вл емому вл етс способ определени фотоупругих посто нных гиротропных кубических кристаллов, основанный на использовании статических и динамических механических напр жений. Провод т измерени эллиптического пье- зодвупреломлени , возникающего при одноосном сжатии исследуемого кристалла. Дл этого используют три конфигурации эксперимента: образец сжимают давлением до 300 МПа вдоль 100, а линейно пол ризованное излучение посылают вдоль образец сжимают вдоль направлени 100, свет посылают вдоль образец сжимают вдоль 111, свет направл ют перпендикул рно оси 111. На основании полученных измерений рассчитывают разность фотоупругих посто нных кристалла.The closest in technical essence to the claimed method is the determination of photoelastic constant gyrotropic cubic crystals based on the use of static and dynamic mechanical stresses. Measurements of the elliptical piezo-refraction that occurs during uniaxial compression of the investigated crystal are carried out. For this, three experimental configurations are used: the sample is compressed by pressure up to 300 MPa along 100, and the linearly polarized radiation is sent along the sample is compressed along direction 100, the light is sent along the sample compressed along 111, the light is directed perpendicular to axis 111. Based on the obtained measurements difference of photoelastic constant crystals.

Акустооптические измерени провод тс в режиме Рамана-Ната при малых мощност х ультразвуковой волны. Образец ориентируют по основным кристаллографическим направлени м и исследуют зависимость азимута ф света, дифрагированного в первый пор док, от азимута у линейно пол ризованного падающего света. Результаты измерени позвол ют определить отношение фотоупругих констант. Из сопоставлени разностей и отношени фотоупругих посто нных рассчитывают величины и знаки компонент тензора фотоупругости.Acoustooptical measurements are carried out in the Raman-Nata mode at low power of the ultrasonic wave. The sample is oriented along the main crystallographic directions and the dependence of the azimuth of the first-order diffracted light on the azimuth of the linearly polarized incident light is examined. The measurement results determine the ratio of photoelastic constants. From a comparison of the differences and the ratio of photoelastic constants, the values and signs of the components of the photoelastic tensor are calculated.

К недостаткам известного способа исследует отнести низкую точность, обусловленную следующими соображени ми:The disadvantages of this method are to investigate the low accuracy attributed to the following considerations:

при гидростатических сжати х возникают пьезогидраци и пьезопоглощение (т.е. зависимость линейного и циркул рного дихроизма от величины упругих сжимающих напр жений), которые вли ют на измер емые эллиптичность и азимут прошедшего через кристалл света;during hydrostatic compression, piezohydration and piezo absorption are obtained (i.e., the dependence of linear and circular dichroism on the magnitude of elastic compressive stresses), which affect the measured ellipticity and azimuth of light passing through the crystal;

поскольку исследуемые кристаллы не- центросимметричные, то при сжатии из-за пр мого пьезоэффекта возникает внутреннее электрическое поле, которое обуславли- вает оптическую электрогирациюSince the crystals under study are non-centrosymmetric, then, due to compression, due to the direct piezoelectric effect, an internal electric field arises, which causes the optical electrogyration

дополнительное изменение эллиптичности и азимута;additional change in ellipticity and azimuth;

способ позвол ет измер ть статические фотоупругие посто нные, которые нельз the method allows to measure static photoelastic constants, which cannot

отождествл ть с динамическими;identify with dynamic;

при измерени х в области кра поглощени и экситонных резонансов используемый эллипсометрический метод не применим;when measuring in the region of the absorption edge and exciton resonances, the used ellipsometric method is not applicable;

при сдавливании кристалла способ нуждаетс в посто нном контроле за соблюдением линейности закона Гука.when squeezing the crystal, the method needs constant monitoring of the observance of the linearity of Hooke's law.

Сложность способа заключаетс в том, что нар ду с ультразвуковой техникой возникает потребность в применении и контроле статических нагрузок. Кроме того, измерение эллиптического двупреломлени требуют использовать техники эллипсомет- рических измерений.The complexity of the method lies in the fact that, along with ultrasound technology, there is a need to apply and control static loads. In addition, measuring elliptical birefringence requires the use of ellipsometric measurement techniques.

Цель изобретени - повышение точности и упрощение определени полного набора фотоупругих посто нных гиротропных кубических кристаллов.The purpose of the invention is to improve the accuracy and simplify the definition of a complete set of photoelastic permanent gyrotropic cubic crystals.

Поставленна цель достигаетс тем, чтоThe goal is achieved by the fact that

при реализации способа, включающего измерение азимута дифрагированного в первый пор док света, провод т это измерение четыре раза, причем при первом измерении азимута пол ризации дифрагированногоWhen implementing a method that includes measuring the azimuth of the first-order diffracted light, this measurement is carried out four times, and the first measurement of the azimuth of the polarization of the diffracted

света 1 возбуждают ультразвуковую волну вдоль кристаллографического направлени 001, а линейно пол ризованный свет посылают вдоль 010, при втором измерении азимута пол ризации $г возбуждают продол ьную ул ьтразву ковую вол ну вдоль 001 , свет посылают вдоль 110, при третьем измерении азимута $з, не мен направлени света, возбуждают ультразвуковую волну в направлении 110 и наконец, приLight 1 excites an ultrasonic wave along the crystallographic direction 001, and linearly polarized light is sent along 010, at the second measurement the azimuth of polarization $ r excites the continuous ultrasonic wave along 001, the light is sent along 110, at the third measurement the azimuth $ h, do not change the direction of the light, excite the ultrasonic wave in the direction 110 and finally, when

четвертом измерении чрь, сохран прежним направление распространени света, продольную ультразвуковую волну посылают вдоль оси третьего пор дка 111. На основании измеренных , $2. $з и № изthe fourth dimension of the CR, maintaining the same direction of light propagation, the longitudinal ultrasonic wave is sent along the axis of the third order of 111. Based on the measured, $ 2. $ s and number of

системы линейных неоднородных уравненийsystems of linear inhomogeneous equations

о при п 1, 2 ,3;o when n 1, 2, 3;

#1 #one

ff

arctg (2V2T) при п 4;arctg (2V2T) with n 4;

An а -щ-еи Г41;An a-f-ei G41;

slnc() ,1ЛООslnc (), 1LOO

( -азимут падающего линейно пол ризованного света;(- azimuth of incident linearly polarized light;

Ь - азимут дифрагированного света;B is the azimuth of the diffracted light;

In - длина области акустооптического взаимодействи ;In is the length of the acousto-optic interaction region;

Г41 - электрооптический коэффициент;G41 is the electro-optical coefficient;

Ii4 пьезоэлектрический коэффициент; es - статическа диэлектрическа проницаемость кристалла;Ii4 piezoelectric coefficient; es is the static dielectric constant of the crystal;

р- удельное вращение плоскости пол ризации;p is the specific rotation of the polarization plane;

PIJ - компоненты тензора фотоупругости;PIJ — components of the photoelasticity tensor;

п - 1.2,3,4 - индекс, соответствующий геометрии взаимодействи , рассчитывают фотоупругие посто нные ги- ротропных кубических кристаллов.n - 1.2,3,4 - the index corresponding to the interaction geometry, calculates photoelastic constants of gyrotropic cubic crystals.

В предлагаемом способе провод тс измерени только азимута чрп (угла) дифрагированного света и угла поворота плоскости пол ризации pin при отсутствии дифракции. Линейно пол ризованный свет, проход через исследуемый кристалл, остаетс линейно пол ризованным, что позвол ет несложными приборами (пол ризатор) измер ть азимут (угол) пол ризации с точностью ± 3, и, как результат, ошибка в определении фотоупругих констант составл ет менее 1 %, На предлагаемый способ при выполнении режима дифракции Рамана-Ната не накладываютс дополнительные ограничени , что также способствует повышению точности. По сравнению с известным способ не требует измерени эллиптичности, и потребность в приборах данного типа отпадает . Отпадает потребность и в применении и контроле статических нагрузок, в результате чего упрощаетс (измерение одной величины четыре раза проще чем измерение четырех разных величин) способ определени фотоупругих посто нных гиротропных кубических кристаллов.In the proposed method, only the azimuth of the PDP (angle) of the diffracted light and the angle of rotation of the polarization plane pin in the absence of diffraction is measured. The linearly polarized light passing through the crystal under investigation remains linearly polarized, which allows simple instruments (polarizer) to measure the polarization azimuth (angle) with an accuracy of ± 3, and, as a result, the error in determining photoelastic constants is less 1%. The proposed method does not impose additional restrictions on the implementation of the Raman-Nath diffraction mode, which also contributes to an increase in accuracy. Compared to the known method, it does not require measurement of ellipticity, and there is no need for devices of this type. There is also no need to apply and control static loads, as a result of which it is simplified (measuring one value four times easier than measuring four different values) the method of determining photoelastic permanent gyrotropic cubic crystals.

На фиг. 1а, б, в, г показаны геометри взаимодействи ультразвука и света, а также взаимное расположение волновых векторов ультразвуковой волны К и падающей световой волны К| в гиротропном кубическом кристалле:FIG. 1a, b, c, d show the geometry of the interaction of ultrasound and light, as well as the mutual arrangement of the wave vectors of the ultrasonic wave K and the incident light wave K | in a gyrotropic cubic crystal:

а)плоскость дифракции mi 100. a) the diffraction plane mi 100.

б)плоскость дифракции mi 110, b) the diffraction plane mi 110,

в)плоскость дифракции m , c) the diffraction plane m,

г)плоскость дифракции m , , на фиг. 2 - схема установки дл реализации предлагаемого способаd) the diffraction plane m,, in FIG. 2 is an installation diagram for implementing the proposed method.

Линейно пол ризованное излучение от лазера 1, пройд диафрагму 2 и пол ризатор 3, попадет на акустооптическую чейку 4. в которой ультразвуковую волну возбуждают пьезопреобразователем из ниобатэ лити с помощью генератора 5. В результате дифракции света на ультразвуке образуетс несколько пор дков дифракции, один из которых (первый) выдел етс диафрагмой 6. Азимут пол ризации дифрагированного в первый пор док света определ ютLinearly polarized radiation from laser 1, passing through the diaphragm 2 and polarizer 3, hits the acousto-optic cell 4. In which the ultrasonic wave is excited by a niobate lithium piezoelectric transducer using an oscillator 5. As a result of light diffraction by ultrasound, several diffraction patterns are formed, one of which (first) is highlighted by a diaphragm 6. The azimuth of the polarization of the first-order diffracted light is determined by

0 анализатором 7, который помещают в оправу с микрометрическим винтом дл отсчета углов. Регистрацию сигнала провод т с помощью ФЭУ 8, нагруженного на осциллограф 9 и питаемого от источника 10 высокого0 by an analyzer 7, which is placed in a frame with a micrometer screw for reading angles. The signal is recorded using a PMT 8 loaded on an oscilloscope 9 and fed from a high source 10

5 напр жени . Дл упрощени расчетов удобно использовать начальный азимут пол ризации равным p-Q или р л/2 . Дл этих целей в схеме предусмотрен вращатель 11 плоскости пол ризации.5 voltages To simplify the calculations, it is convenient to use the initial azimuth of polarization equal to p-Q or p l / 2. For these purposes, a rotator 11 of the polarization plane is provided in the scheme.

0 Способ осуществл ют следующим образом .0 The method is carried out as follows.

Линейно пол ризованный свет от лазера 1 с начальным азимутом р- посылают на акустооптическую чейку 4, изготовленнуюLinearly polarized light from laser 1 with an initial azimuth p is sent to the acousto-optic cell 4, made

5 согласно фиг. 1а, и провод т измерение поворота р h плоскости пол ризации при отсутствии акустооптического взаимодействи . Затем возбуждают ультразвуковую волну и измер ют азимут пол ризации0 дифрагированного света. Далее устанавливают акустооптическую чейку 4, изготовленную согласно фиг. 16, и провод т аналогичным образом измерение величин р i и ipi. Затем процедуру измерени по5 ворота плоскости пол ризации при отсутствии ультразвука и азимута пол ризации дифрагированного света повтор ют на аку- стооптических чейках, изготовленных согласно фиг. 1в и фиг, 1г, и получают5 according to FIG. 1a, and measure the rotation p of the polarization plane in the absence of acousto-optic interaction. An ultrasonic wave is then excited and the polarization azimuth of the diffracted light is measured. Next, install the acousto-optic cell 4, manufactured according to FIG. 16, and measuring the values of p i and ipi in a similar manner. Then, the procedure for measuring the polarization gate of the polarization plane in the absence of ultrasound and the polarization azimuth of the diffracted light is repeated on the acousto-optical cells manufactured according to FIG. 1b and fig, 1g, and receive

0 значени р |3 , fa b р Ц , трз соответственно. По выражени м (1)-(2) на основании измеренных величин р 1П и грп рассчитывают фотоупругие посто нные гиротропного кубического кристалла.0 values p | 3, fa b p C, trz, respectively. According to expressions (1) - (2), on the basis of the measured values of p 1P and cnc, photoelastic constants of a gyrotropic cubic crystal are calculated.

Пример. При определении фотоупругих посто нных кристалла германата висмута в спектральной области 0,47-0,63 мкм использовались He-Ne ЛГ-38 и аргоновый ЛГН - 503 лазеры. Исследовани проводи0 лись на образцах 2 х 10 х 15мм3, ориентированных согласно фиг. 1а,б,в,г не хуже 0,2°. Продольна ультразвукова волна частотой f 40 мГц возбуждалась пьезопреобразова- тем из ниобата лити . Как видно из (2), суще5 ственное различие между азимутом гр и углом поворота р I плоскости пол ризации наблюдаетс при малых длинах I акустооптического взаимодействи , когда добавка, содержаща функции sine (p), и обуслов5Example. When determining the photoelastic constants of the bismuth germanate crystal in the spectral region of 0.47–0.63 μm, He-Ne LG-38 and argon LGN - 503 lasers were used. The studies were carried out on samples of 2 x 10 x 15 mm3, oriented according to FIG. 1a, b, c, g is not worse than 0.2 °. A longitudinal ultrasonic wave with a frequency of f 40 mHz was excited by a piezo-transform with that of niobate lithium. As can be seen from (2), a significant difference between the azimuth gr and the rotation angle p I of the polarization plane is observed for small lengths I of the acousto-optic interaction, when the additive containing the functions sine (p) and

ленна взаимодействием света и звука, будет значительной. Поэтому область взаимодействи выбиралась равной 2 мм и измер лась величина р I, тем самым исключались неточности, св занные с раздельным нахождением р и I. Точность измерени углов в эксперименте составл ла ± 5 . При расчетах пьезоэлектрический модуль Из и электрооптический коэффициент г/п выбирались с учетом спектральной зависимости последнего. Результаты определени фотоупругих посто нных предлагаемым и известным способами приведены в таблице.Lena interaction of light and sound will be significant. Therefore, the interaction region was chosen to be 2 mm and the p I value was measured, thereby eliminating inaccuracies associated with the separation of p and I. The accuracy of angle measurement in the experiment was ± 5. In the calculations, the piezoelectric module From and the electro-optical coefficient g / n were chosen taking into account the spectral dependence of the latter. The results of the determination of photoelastic constants by the proposed and known methods are given in the table.

Claims

Thus, the use of the proposed method makes it possible: to increase the accuracy of determining the photoelastic constants; simplify the method for determining the photoelastic properties of gyrotropic cubic crystals; determine both the magnitude and the sign of all the components of the photoelasticity tensor; conduct research in a wide spectral range, including the decay region of the absorption curves and the region of the exciton resonances. The method of determining photoelastic constant gyrotropic cubic crystals, including measuring the azimuth of diffracted light in the first order of light, characterized in that, in order to improve the accuracy and simplify the determination of the full set of photoelastic constants, the azimuth of -fp is measured four times, and the measurement, an ultrasonic wave is excited in the crystal along the OO crystallographic direction, and light is sent parallel to the front of the ultrasonic wave along direction 010; during the second measurement, ultrasound zvuke--hand wave is excited along the direction 001, the light is sent along the direction 110 in the third dimension, at least

the directions of light, excite the longitudinal ultrasonic wave in direction 10, in the fourth dimension, retain the same direction of light propagation, excite the longitudinal ultrasonic wave along the axis of the third order of 111 and determine the photoelastic permanent crystals from the system of linear inhomogeneous equations for Sn ,.

OSI + I

5g + 1 S211 ЗЗэ-1 3Si-1

5l%

About About A (5z I)

S4 + 3

О О О a {Sa t 3)

S - sin (p 1P - us) + cqs fro In - y) tg y sine (p ln) coFfyjh + D,) tg VVi + sin (pn + / 3n) J

4Я a-5- ei4 g / s;

fcs

o when n is 1, 2, 3;

n

arctg () with n 4;

„Ncfrl)

- azimuth of incident linear polarized light relative to the direction

trp is the azimuth of the diffracted light relative to the direction

In is the length of the acousto-optic interaction region;

G41 is the electro-optical coefficient;

ei4 - piezoelectric coefficient;

ES is the static dielectric constant;

p is the specific rotation of the polarization plane;

Pij are the components of the photoelasticity tensor;

n 1,2,3,4 - the index corresponding to the geometry of the interaction.

hg

Hg

X,

but

x

Hl / y / hf

L1w1

i

H

ttna

W01

1

1 fit-VI

(Reg. 2