ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.За последние два десятилетия заметно вырос интерес к давно применяющемуся, и, казалось бы, достаточно разработанному методу исследования оптически прозрачных кристаллов в сходящемся линейно-поляризованном свете - методу коноскопии.

Однако для правильной интерпретации вида коноскопических картин необходимы правильная физическая теория и соответствующий математический аппарат, позволяющие рассчитать форму изохромы любого порядка для любого кристалла с известными структурой, размерами, главными значениями показателей преломления и ориентацией взаимно-параллельных граней относительно оптической оси (осей). Между тем, тщательный анализ известных работ, связанных с коноскопией, позволяет уверенно утверждать, что метод нуждается и в развитии, и, в первую очередь, в пересмотре устоявшихся некорректных положений и формул, до сих пор применяющихся при анализе коноскопических картин.

Цель настоящей работы состояла в выводе без приближений уравнения изохром в коноскопической картине одноосного кристалла для самого общего случая произвольной взаимной ориентации оптической оси и нормали к кристаллу, а также в экспериментальной проверке 3

полученных соотношений и разработке методов поиска и классификации оптических аномалий в кристалле и расчета их параметров с помощью метода коноскопии.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

• Разработка способа вывода уравнения изохром одноосных кристаллов без применявшихся ранее приближений.

• Вывод уравнения кривой, описываемой вектором необыкновенной волны на выходной поверхности плоскопараллельного одноосного кристалла при вращении вокруг нормали к кристаллу луча, падающего на входную поверхность под постоянным углом.

• Анализ полученного уравнения изохром одноосных кристаллов и установление зависимостей вида коноскопических картин от параметров кристалла и особенностей оптической схемы для наблюдения изохром.

• Экспериментальная проверка выведенных уравнений на специально изготовленных оптических элементах из одноосных кристаллов парателлурита и ниобата лития со специальными, ранее не применявшимися ориентациями взаимно параллельных граней.

• Получение коноскопических картин кристаллов с оптическими аномалиями и расчет параметров оптических аномалий.

• Выработка технических рекомендаций по использованию метода лазерной коноскопии для анализа оптической однородности одноосных кристаллов.

Научная новизна:

• Впервые без ранее применявшихся приближений выведено уравнение изохром в коноскопических картинах одноосных кристаллов.

• Впервые получены данные об истинной форме изохром одноосных кристаллов при произвольных ориентациях нормали к поверхностям относительно оптической оси.

• Предсказываемые теоретически изохромы в виде кривых выше второго порядка подтверждены экспериментально и зафиксированы в коноскопических картинах одноосных кристаллов.

• Методом лазерной коноскопии исследованы оптические аномалии в монокристаллах парателлурита и ниобата лития - вариации показателей преломления, свили, аномальная двуосность.

Практическая значимость.

Метод лазерной коноскопии прошел испытания при тестировании оптического качества элементов, изготовленных из монокристаллов парателлурита и ниобата лития и предназначенных для акустооптических устройств. Элементы из одноосных кристаллов, прошедшие коноскопические исследования, использованы в качестве

светозвукопроводов в действующих современных устройствах - АОД (акустооптических дефлекторах лазерного излучения), АОМ (акустооптических модуляторах), АОПФ (акустооптических электронно- перестраиваемых фильтрах излучений и изображений), АОДЛ (акустооптических адаптивных дисперсионных линий задержки, предназначенных для сжатия и корреляции ультракоротких импульсов фемтосекундных лазеров).

Разработанный метод позволяет проводить экспресс-анализ оптической однородности не только партий элементов, но и крупногабаритных (до десятков сантиметров) монокристаллических буль. При этом в них выявляются такие оптические аномалии как локальные вариации показателей преломления, свили, аномальная двуосность.

Испытанный в работе метод лазерной коноскопии, основанный на полученном уравнении изохром, перспективен при решении таких задач как метрология оптической однородности, выявление оптических аномалий и механических напряжений в кристаллах, контроль параллельности плоскостей оптических элементов из кристаллов, а также изучение влияния различных физических воздействий на оптические параметры одноосных кристаллов в режиме реального времени.

Методология и методы исследований.

При теоретических исследованиях, связанных с выводом точного уравнения изохром в коноскопических картинах одноосных кристаллов, использовано основное уравнение кристаллооптики - уравнение Френеля, записанное через направляющие косинусы падающей и двух преломленных волн, а также оптической оси и нормали к двум взаимно­параллельным поверхностям кристалла.

Научные положения и результаты, выносимые на защиту:

• Решение уравнения изохром в коноскопических картинах одноосных кристаллов восьмого порядка показало, что изохромы одноосных кристаллов являются плоскими кривыми второго порядка - окружностями - только в случае совпадения нормали к поверхностям с оптической осью кристалла. Изохромы одноосных кристаллов являются кривыми четвертого порядка в единственном случае, когда нормаль к поверхностям ортогональна оптической оси. Во всех остальных случаях, когда нормаль и оптическая ось не совпадают и не ортогональны, изохромами одноосных кристаллов являются плоские кривые восьмого порядка.

• Полученное уравнение изохром позволяет при подстановке известных значений толщины кристалла, угла между нормалью к поверхности и оптической осью, главных показателей преломления обыкновенных и необыкновенных волн, а также фокусного расстояния проекционной системы, воссоздать графически с любой заданной точностью теоретический вид изохром в коноскопической картине.

• Сравнительный компьютерный анализ теоретически рассчитанного и полученного экспериментально методом лазерной коноскопии изображений изохром одноосного кристалла позволяет рассчитать вариации показателей преломления, а по ним - механические напряжения, приводящие к искажениям оптической индикатрисы кристалла.

Достоверность результатов. Достоверность результатов диссертационной работы обосновывается экспериментальной проверкой полученного уравнения изохром при получении коноскопических картин различных одноосных монокристаллов с классическими и ранее не исследованными ориентациями плоскостей вырезанных из них элементов, применением современных методов и оборудования, апробацией на научных конференциях, а также практическим использованием при метрологических исследованиях оптического качества монокристаллов, предназначенных для акустооптических и лазерных устройств. Основное содержание работы опубликовано в 10 статьях, включая 6 статей в журналах из списка ВАК.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены на IX Международной конференции «Прикладная физика» (г. Санкт-Петербург, Оптическое общество им. О.С. Рождественского, 2010), Международной конференции «International Conference on Functional Materials and Nanotechnologies» (Tartu, Estonia, 2013), VII Международной конференции по фотонике и информационной оптике (г. Москва, НИЯУ МИФИ, 2018).

Настоящая работа выполнена на кафедре прикладной физики Тверского государственного университета в соответствии с тематическим планом НИР, в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 гг.», соглашение 14.574.21.0113 (RFMEFI57414X0113).

Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Работа содержит 149 страницы основного текста, 66 рисунков, 2 таблицы и 94 наименования цитируемой литературы.

Личный вклад автора. Диссертантом совместно с научным руководителем проводились: выбор темы, постановка цели и задач исследований, планирование работы и структуры диссертации, обсуждение полученных результатов. В теоретической части работы автором самостоятельно проведены анализ известных способов вывода уравнений изохром, в коноскопических картинах одноосных кристаллов; установление приближений, приводивших ранее к уравнениям, не вполне корректно описывающим форму изохром для случаев, когда нормаль к поверхности кристалла и его оптическая ось не совпадают и не ортогональны; составление геометрической и математической схем расчета координат изохром без ранее применявшихся приближений и упрощений; вывод точного уравнения изохром одноосных кристаллов и его компьютерный анализ с помощью пакета математических программ «Maple». В экспериментальной части работы автором самостоятельно выполнены коноскопические исследования монокристаллов парателлурита и ниобата лития с помощью традиционной схемы, а также с применением лазеров видимого диапазона.