Шульга Д. О. Нелінійно-оптичні взаємодії та їхня просторова анізотропія в кристалічних матеріалах та нанокомпозитах

Дана дисертація присвячена задачі збільшення ефективності пристроїв нелінійної оптики як на основі оптимізації характеристик відомих матеріалів, так і за рахунок створення нових нелінійно-оптичних матеріалів на основі нанокомпозитів. Обґрунтування актуальності теми дослідження, його мету, основні завдання, наукову новизну і практичну цінність дисертації висвітлено у вступі. У першому розділі дисертації представлено огляд літературних джерел щодо фізики нелінійно-оптичних процесів – генерації другої гармоніки, сумарної та різницевої частот, параметричної генерації, варіанти їх застосування у оптичних пристроях. Розглянуто питання щодо умов фазового синхронізму як скалярного, так і векторного, реалізація яких дозволяє збільшити величину спостережуваних нелінійно-оптичних ефектів. Представлено огляд з питань фізики нанокомпозитів, описано застосований метод виготовлення та способи використання у оптоелектроніці та фотоніці. Також представлено огляд з питань фізики нанокомпозитів, описано метод їх виготовлення та можливості застосування у фотоніці та оптоелектроніці. У другому розділі описано метод, який застосовується в роботі для розв’язання задачі оптимізації геометрії нелінійно-оптичних взаємодій у кристалічних матеріалах у загальному випадку неколінеарності взаємодіючих променів (векторного фазового синхронізму). Метод базується на побудові та аналізі властивостей екстремальних поверхонь, які відображають максимально досяжні значення ефективності для всіх можливих напрямків вихідного (згенерованого) променя. Представлено опис кристалів ромбічної та моноклінної сингоній, для яких і проводилося дослідження. Надано опис спеціального програмного забезпечення, розробленого для проведення розрахунків. Наведено дані щодо технології виготовлення нанокомпозитів, які являють собою нанокристали NH4H2PO4 (ADP), розташовані в порах наноматриці Al2O3 (AAO), а також опис експериментальної установки, на якій проводилися дослідження. У третьому розділі представлено результати визначення максимально досяжних значень ефективності генерації другої гармоніки, сумарної та різницевої частот у ряді двовісних нелінійно-оптичних кристалів ромбічної сингонії – KTP, KTA, KB5, KNbO3, LBO, CBO, LRB4. Визначено оптимальні геометрії векторного фазового синхронізму, тобто такі напрямки хвильових векторів вхідних та вихідного променів, що забезпечують найбільші досяжні значення ефективності нелінійних процесів. Показано, що для значної кількості випадків векторний фазовий синхронізм забезпечує вищу ефективність, ніж скалярний. Зокрема, це має місце для генерації другої гармоніки (фазовий синхронізм типу I або ssf) у KB5 (відносне збільшення ефективності становить 145%), KTP (49%), KNbO3 (39%) та KTA (17%). У четвертому розділі представлено результати із оптимізації геометрії нелінійно-оптичних взаємодій для моноклінних нелінійних оптичних кристалів GdCOB, YCOB, BiBO, LCB. Показано, що для цих матеріалів збільшення ефективності, спричинене використанням векторного фазового синхронізму, не перевищує десятків відсотків по відношенню до скалярного випадку. Максимальне значення відносного збільшення ефективності становить близько 53% для кристала BiBO у випадку генерації різницевої частоти. Найвищі абсолютні значення ефективності також мають місце для кристала BiBO; тоді як найнижчі – для LCB. У п’ятому розділі представлено результати досліджень нанокомпозитного нелінійно-оптичного матеріалу, отриманого введенням нанокристалітів NH4H2PO4 (ADP) у нанопори анодованого оксиду алюмінію (AAO). Експериментальні дослідження за методом смужок Мейкера виявили сильний нелінійний відгук третього порядку, тоді як генерація другої гармоніки була відсутня, ймовірно, через невідповідність фаз і шорсткість поверхні. Теоретичне моделювання з використанням порівняльної моделі та моделі Рейнтьєса дозволило визначити величину нелінійної оптичної сприйнятливості третього порядку для досліджених зразків. Дослідження виявило також ключову роль розміру нанопор у впливі на ефективність генерації третьої гармоніки.