Монокристаллы парателлурита и их свойства

Наиболее востребованным кристаллическим акустооптическим материалов для создания дисперсионных линий задержки является парателлурит. Монокристаллы парателпурита - тетрагональной модификации диоксида теллура (α - TeO2) - обладают рядом уникальных для диэлектриков физических свойств, удачное сочетание которых и дает этим кристаллам большие преимущества перед многими другими акустооптическими материалами [36, 128-130].

широким диапазоном прозрачности (0,35-6,0mkm)без заметных полос поглощения, они практически нерастворимы в воде, имеют невысокую твердость, вследствие чего легко обрабатываются - режутся, шлифуются и полируются. В силу принадлежности к тетрагональной сингонии (точечная группа симметрии - 422) кристаллы парателлурита обладают

двулучепреломлением, причем достаточно большим, что позволяет использовать их в акустооптических электронно-перестраиваемых фильтрах и в акустооптических дисперсионных линиях задержки (АОДЛ). Высокие значения показателей преломления (2,4-2,6) обыкновенного и необыкновенного лучей, в сочетании с уникально малыми для твердых тел скоростями распространения ультразвукам направлении [110] - 600 м-с'¹ - обеспечивают парателлуриту необычно большое значение коэффициента акустооптического качества, где п - показатель

преломления, р - действующая константа фотоупругости, р - плотность, C_3b

- скорость звука.

Эффективность АО устройств зависит от ряда констант материала СЗП. При дифракции Брэгга интенсивность дифракционного поля равна [131] где I⁰- интенсивность падающей световой волны, P_a- акустическая мощность, L - длина взаимодействия, H - ширина пьезопреобразователя, λ₀- длина волны света, 0б - угол Брэгга, M₂- комбинация констант данного материала.

где п - показатель преломления, р - фотоупругая константа, р - плотность, V

- скорость звука.

Величина M₂, называемая коэффициентом акустооптического качества или акустооптической добротностью, определяет интенсивность дифрагированного света независимо от размеров пьезопреобразователя и акустической мощности и является важнейшей характеристикой акустооптического материала Среди материалов, прозрачных в видимом диапазоне длин волн, самым большим коэффициентом M₂обладают монокристаллы парателлурита. Удачное сочетание констант дает для них 24

значение M₂(при распространении света по оптической оси), равное 793∙ IO'¹⁸ c³∕r. Это в 22 раза больше, чем у молибдата свинца PbMoO4, считавшегося ранее наилучшим материалом для частот ниже 1 ГГц, и в 510 раз больше, чем у кварца - SiO₂. Необычность упругих свойств парателлурита определила три основных варианта его использования в акустооптических устройствах. В одном из вариантов используются исключительно медленные (616 м/сек) поперечные волны, распространяющиеся в направлении [110]. Второй вариант использует продольные волны, распространяющиеся вдоль оси [001], и имеет высокий критерий качества Mi = n⁷p²∕pV и малое акустическое поглощение. Третий использует распространяющиеся в плоскости (001) под углом 35,9° к оси X поперечные волны и характеризуется слабой температурной зависимостью и высоким значением критерия M₂- 200∙10'¹⁸ сек'/г. Наличие в кристалле поперечной моды с нулевым температурным коэффициентом скорости очень важно, что следует из значительных искажений в работе акустооптических устройств, вызываемых нагревом светозвукопроводов в процессе работы. Коэффициенты поглощения ультразвука в монокристаллах парателлурита для поперечных волн, распространяющихся в направлениях [110] и [001] составляют 1,3 дБ/см и 1,1 дБ/см на частоте 30 Мгц, т.е.

Поскольку эффективность АО устройства η (η = Ц /I₀,где I₀- интенсивность падающего света, Ц - интенсивность дифрагированного света) зависит от величины M₂таким же образом, как и от мощности ультразвука, рекордно высокое значение (для своего диапазона прозрачности) M₂ парателлурита и определяет его главное техническое преимущество перед другими акустооптическими материалами [131]. Оно состоит в возможности 25

эффективного управления световыми потоками с помощью относительно небольшой электрической мощности (0,5-5 Вт), подаваемой с генератора высокой частоты (~ 50-150 МГц) на пьезопреобразователь [36, 128, 131]. Это исключает необходимость принудительного охлаждения АО устройства и обеспечивает сравнительно невысокие оптические и акустические искажения, вызываемые выделением тепла в материале СЗП вследствие поглощения ультразвуковой энергии.

При комнатной температуре и атмосферном давлении р≈ 10⁵N∕m² (Ibar) кристалл парателлурита TeO₂имеет структуру слегка искаженного рутила. Симметрия рутила описывается пространственной группой D^ с числом формульных единиц в примитивной ячейке z - 2 [132]. Уточненная симметрия TeO₂- и z ^- 4. причем отношение периодов решетки а- парателлурита вдоль тетрагональной оси и в перпендикулярном направлении примерно в два раза превосходит аналогичное отношение, характеризующее решетку рутила [133-138].

Парателлурит сохраняет свою структуру при нормальном давлении и понижении температуры до 10 К [139]. Однако при комнатной температуре и давлении р = 8.86 kbar TeO₂претерпевает фазовый переход с понижением симметрии ДО орторомбической (∏2 ) ^cсохранением числа формульных единиц в примитивной ячейке кристалла [133-137, 139-141].

сегнетоэластическими переходами первого типа [145]. Зависимость скорости поперечных звуковых волн, распространяющихся в направлении [110] и поляризованных вдоль [1Ї0] , от давления также указывает на то, что

фазовый переход D% — D%является собственно-сегнетоэластическим [135, 136, 139, 143]. Возможность выращивать большие (сантиметрового размера) монокристаллы TeO2 [146, 147] позволила на основе геометрической теории [148] установить с точностью не хуже нескольких процентов значения всех шести независимых констант жесткости парателлурита второго порядка (c⅛ - в обозначениях Voight или компонент тензора жесткости четвертого ранга c_aβ_γs)в декартовых координатах) [134, 136, 143, 149-153]. Затем при интерпретации изменения скорости различных «чистых звуковых мод» под влиянием одноосного давления в [147] на основе геометрической теории [154] с относительно хорошей точностью были установлены все константы жесткости третьего порядка c_i∣_iι (c_aβ_γfo_μ).В ряде работ уточнялись и перепроверялись зависимости параметров решетки кристалла TeO2 и координат атомов от давления (р) и температуры (T) [134-137, 139, 155]. Столь полный набор данных сделал кристаллы парателлурита уникальным объектом исследования, допускающим возможность проверять и сравнивать разные теоретические подходы к описанию фазовых переходов.

Зависимость констант жесткости второго порядка TeO2 от давления [134, 136, 143, 149-152] показывает, что концепция мягкой моды [156] полностью применима для описания фазового перехода в TeCK Первую теорию изменения свойств парателлурита при понижении симметрии от D% до £>2 построили Fritz и Peercy [140].

гипотезу о малых значениях несобственныхj [143])

и вместо прямого решения уравнений состояния и сопоставления этих решений с экспериментом предполагать, что ξ -- η² [139-141, 143] и e^ -■ η² [143]. Как показано далее, эта гипотеза противоречит результатам, получаемым путем решения уравнений состояния и известным экспери­ментальным данным о зависимости размеров элементарных ячеек TeO₂от давления [136, 155]. Кроме этого, теория [139-141, 143] вместо того, чтобы предсказывать зависимость скорости звука от давления, опирается на экспериментально полученную в [140, 143, 155] зависимость (сп - Си) от г и зависимость η²(p),полученную Worlton и Beyerlein [155]. Данные [155] использованы в [143] для вычисления некоторых, дополнительных к константам жесткости третьего порядка, параметров, которые, так же как и Cj∣_iι,определяют зависимость c⅛(p). Неоправданным представляется и сделанное в [143] предположение о зависимости от давления констант жесткости третьего порядка (c_ifci),входящих в исходный неравновесный потенциал.

Подчеркнем, что одно и достижений теории Ландау состоит в том, что от внешних условий зависит только один феноменологический параметр, а именно стоящий в неравновесном потенциале при нижней степени ПП [138].

Кристаллы парателлурита ((X-TeO₂) - тетрагональной модификации двуокиси теллура - обладают рядом уникальных физических свойств, и в том числе - большими значениями коэффициентов акустооптической добротности M₂в видимом и ближнем ПК-диапазонах длин волн излучения. Поэтому помимо возможного применения в качестве материала поляризационных и двупреломляющих призм, обусловленного значительной разницей показателей преломления необыкновенного и обыкновенного лучей N_e-N₀, кристаллы парателлурита в основном используются при изготовлении светозвукопроводов акустооптических устройств: модуляторов, дефлекторов и электронно-перестраиваемых фильтров [161, 162]. Из-за отсутствия центра инверсии в структуре с точечной группой симметрии 422 кристаллы

парателлурита характеризуются гиротропией, проявляющейся в довольно значительном по сравнению с большинством кристаллов других веществ, вращении плоскости поляризации света, распространяющегося вдоль оптической оси [163-166].

1.4.