Файл: Белостоцкий, Б. Р. Тепловой режим твердотельных оптических квантовых генераторов.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 23.10.2024
Просмотров: 60
Скачиваний: 0
вдоль главных осей тензора относительной диэлектрической непрони цаемости [Л. 6-12]
В«х? = |
1. |
(6-51) |
|
где Вц = 1 / п 2і — компоненты тензора |
относительной |
диэлектрической |
|
непроницаемости, я,- — главные |
показатели преломления кристалла. |
||
Под действием напряжении |
изменяются положение системы опти |
||
ческих осей и главные значения показателя преломления. Так, при
одностороннем сжатии (растяжении) изотропное вещество |
обладает |
||
свойствами одноосного кристалла. Изменение оптических |
свойстп |
||
(показателя |
преломления) |
у деформированного кристалла |
пропор |
ционально |
напряжениям |
(деформациям) н определяется |
тензором |
пьезооптических (уиругооптичееких) коэффициентов.
Рассмотрим изменения показателя преломления, вызываемые термігческими напряжениями в активных элементах из кристаллического вещества кубической системы класса m3/«, к которой относится один из наиболее распространенных лазерных материалов — иттрий-алго- миииевый гранат.
Изучение термических искажений активных элементов из иттрийалюмшшевого граната проводилось рядом авторов (Л. 6-7, 6-13—6-18]. Ниже излагаем результаты теоретического исследования .изменения оптических свойств активных элементов, следуя работе (Л. 6-7].
При отсутствии напряжений кристаллы кубической системы яв ляются изотропными. Оптическая индикатриса представляет собой
сферу |
|
|
|
|
|
Во (х'і + х\ + Хд) = 1. |
(6-52) |
||
|
Под действием напряжений индикатриса деформируется |
|
|
|
где |
В,х1 + ß 2x | + ß3Xg -t-'2B.,xsx 3+ 2Bsx,Xj + 2Bex ,x s — 1, |
(6-5-3) |
||
В,.,., —Во -ф- / ) ß l , 2 . 3 , ß l , 5 , 6 = |
&Во'$л. |
|
|
|
|
|
|
||
|
Изменения Относительной диэлектрической непроницаемости опре |
|||
деляются из следующего уравнения: |
|
|
|
|
|
Aß; = STij(T;j, |
|
(6-54) |
|
где |
Ttij — пьезооптичеекпе коэффициенты, |
оу— тензор напряжений. |
||
Здесь и далее тензоры приводятся в матричной записи. Индексам |
11; |
|||
22; |
33; 32 и 23; 13 и 31; 12 и 21 соответствуют индексы 1; |
2; 3; |
4; |
|
5; б.
Из анализа соотношений, приведенных в § 6-1, следует, что на пряженное состояние активных элементов целесообразно описывать тензором напряжений, имеющим две неравные нулю недиагональ ные компоненты в исходной системе координат. Так, для активного элемента цилиндрической формы, геометрическая ось которого на правлена по Хз, тензор напряжений имеет вид:
|
a i |
|
0 |
|
ff = |
=6 |
0 , 0 |
|
|
|
|
|
||
|
0 |
0 |
®3 |
|
|
|
|
|
|
Система координат тензора (6-55) развернута относительно его |
||||
главных направлений на угод_ 0 : |
|
|
|
|
Ѳ= J _ arctg — Ъ .___ |
(6-56) |
|||
2 |
|
f f * » j |
|
|
150
Для активных элементов цилиндрической формы с аксиальносимметричным распределением напряжений и геометрической осью, направленной по х3 (см. (6-14),- (6-17), (6-20), (6-27), (6-40)— (6-42)], 0 имеет смысл угловой координаты рассматриваемой точки сечения.
Значения компонент л ц обычно задаются в 'системе координат, связанной с кристаллографическими осями. Приведение тензора чет вертого ранга Лі} к системе координат тензора напряжений требует громоздких вычислений. Для упрощения расчетов при определении изменений относительной диэлектрической непроницаемости целесо
образно выполнить следующие операции: |
а, |
к системе координат пьезо- |
||||||||
1) |
привести |
тензор напряжений |
||||||||
оптических коэффициентов |
зUj |
посредством |
преобразования вида |
|||||||
|
|
|
° ' = |
ir®Yi. |
|
|
|
|
(6 -5 7) |
|
где у — матрица преобразования координат; у<— транспонированная |
||||||||||
матрица; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2) |
определить компоненты AB',- в системе координат тензора я,-,- |
|||||||||
|
|
|
іДВ'=шт'; |
|
|
|
|
‘(6-58) |
||
3) |
привести |
полученный тензор |
ДВ' |
к |
системе координат актив |
|||||
ного элемента посредством обратного преобразования |
|
|||||||||
|
|
|
AB —уіАВ'у. |
|
|
|
(6-59) |
|||
Рассмотрим некоторые частные случаи. Если ось |
декартовой |
|||||||||
системы координат, связанной с активным элементом, соответствует |
||||||||||
направлению (ОСИ], а напряженное состояние |
описывается тензором |
|||||||||
(6-55), то в соответствии с (6-54) имеем: |
|
|
|
|
||||||
|
дв, |
Тіц |
Я12 |
12 |
0 |
0 |
|
0 |
®І |
|
|
дв 2 |
Я12 Я,, |
Я,2 |
0 |
0 |
|
о |
°2 |
|
|
|
ДВз |
І2 Я,2 TV)Яцj |
0 |
0 |
|
0 |
|
(6-60) |
||
|
дв4 |
0 |
0 |
0 |
я 44 |
о |
|
о |
°4 |
|
|
|
|
||||||||
|
дßs |
0 |
0 |
0 |
о я 44 |
|
о |
|
|
|
|
ABS |
0 |
0 |
0 |
О |
0 |
Я44 |
|
|
|
Из (6-60) следует:
ДВ, = |
ппо , п 12 (о2 |
в3); |
(6-61) |
||
ДВ2 |
= |
Яи <1 2 И- Я 12 ( ° 1 |
“Ь ®з)і |
||
|
|
||||
&В3 = |
я 41с 3 |
я 12 (о, |
-(- о 2); |
|
|
ДВ4 = ДВ5 = |
0; |
|
|
||
ДВв — |
^44° 6- |
|
|
|
|
При наличия напряжений оптическая индикатриса наклонена относительно исходной системы координат на угол Ѳ', определяемый выражением
*е29' = -д в ~ 1 в ,- = ^ 29- |
(б-62) |
где g= it44/(jt1i—я 12).
151
Приводя полученным тензор к диагональному виду, находим главные значения приращения компонент тензора относительной ди электрическом непроницаемости
AB 1,2 |
~2 ~ ("п + "іг)(°? + |
± |
- 1 |
1 |
|
|
|
||||
|
X |
(а2 — а?) 3 + |
"12®3 |
(6-63) |
|
|
|
||||
|
Aßj — "п°з "Ь "іа1(а? "Ь аз)• |
|
|||
в (6-63) |
5= ] / |
-~ 2-—6- :’ |
-а],з,з° |
— главные |
значения напря |
жений, определяемые пз соотношений: |
|
|
|||
|
|
1 |
|
|
|
|
1.2 |
=_9~ (®і + °г) ± |
cos 2Ѳ |
|
|
Рассмотрим другой частный случай, когда ось х3 соответствует направлению till] кристаллографической решетки. Используя соотно
шения |
(6-57) —(6-59), |
в которых |
матрица у имеет вид (ось х* со |
|||||||
ответствует |
направлению {121]): |
___ 1____1__ |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|||
|
|
|
|
|
|
У 2 |
|
' У6 |
уъ |
|
|
|
|
|
Y = |
|
О |
/ |
i |
w |
(6-64) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
получаем: |
|
|
|
|
V2 |
|
Ѵб |
1^3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
АВі = |
- g " |
[ я ,, (За, + °2 + 2а3) + |
я , 2 (За, -]- 5а2 -|- 4о3) |
|
||||||
|
|
|
+ |
я 44 (За, — а2— 2а3)]; |
|
|
||||
г2 _ |
6 |
К |
1 (3®2 + а 1+ 2«з) |
|
|
|
|
|||
|
|
|
+ |
я,,., (За2 — а, |
|
|
|
|
||
АВ3 — |
1 |
["і1 (°1 + |
°г + |
аз) |
|
|
|
|
||
з |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
— ".14 (°1 + |
°2 |
|
|
|
(6-65) |
||
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
АВІ |
|
|
“] |
|
|
|
|
||
|
|
|
3 У 2 ('М2~ |
|
|
|
|
|||
|
|
|
AB5 — |
V2 |
"ll + " 12) ®ОI |
|
||||
|
|
|
3 |
(я44 |
|
|||||
|
|
|
Д5е — |
о |
(я,, |
я, 2-ф- 2я.,4) а0 |
|
|||
152
Угол наклона оптической индикатрисы в плоскости Х і Х г равен:
2
tg26' = АВ2- ай, ' " ^ 29- |
(6-66) |
В этом случае ориентация оптической индикатрисы соответствует главным направлениям приложенных напряжений.
Изменение оптических свойств среды для излучения, распростра няющегося вдоль оон -Ѵз, описывается следующими соотношениями:
Д -б?,2 |
(2Я ц + |
4я 12 + |
п.14) (о® + dg + |
°з) — |
|
|
2 |
яіК03 І |
ß |
(пп |
^12 "Ь 2и4.|)(а2 |
о®). |
(6-67) |
Величина ДВ°і,2, как |
следует из |
(6-67), не зависит от‘угла |
0 и, |
|||
следовательно, в это’м случае кубический кристалл ведет себя по добно изотропному веществу.
Рассмотрим некоторые конкретные случать. Пусть ось цилиндри ческого стержня из иттрий-алгомпііиевого граната совпадает с на
правлением {001] кристаллографической решетки. |
|
Для |
излучения, |
|||||||
распространяющегося |
вдоль оси |
стержня, из (6-63) с учетом соот |
||||||||
ношений (6-20) и температурной |
зависимости |
показателя |
преломле |
|||||||
ния получаем: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
АВг(г) = - |
[ £ |
| |
О..Е |
{ЯП(1 -- ®) + Я12 (3 + Ö)}jr (г) -- |
||||||
2(1 — V) |
||||||||||
|
|
атЕ |
|
|
)T Rir + |
|
|
|||
|
2(1 - V ) ("Н-*12)«[ 1 - — |
|
|
|||||||
а-Е |
(л11~|"3яіг) |
б? |
(яи |
Л12) |
|
jRiR, ; |
(6-68) |
|||
2(1 - V ) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Дбѵ {Г) = ■ |
ЛГ Р + 2 (1 — ѵ) |
|
+ 5) + |
« 1 2 |
(3 — 5 ) } J |
Т (/■)+ |
||||
|
|
а-Е |
^» Л |
|
|
|
|
|
|
|
атЕ |
|
|
Л? |
(Пц — ПІ2) ( |
pRiRü |
(6-69) |
||||
2(1 — V) |
(™И+ Зя12) + |
|
|
|||||||
где §= d n /d T ; |
T Rir ~ —■----- j - С Т (г) г dr, |
Rt |
и R2— внутренний |
|||||||
|
|
|
г- — 7<j |
J |
|
|
|
|
|
|
и внешний радиусы стержня.
Величины АВг(г) и AB (г) описывают изменение показателя
преломления, обусловленное нагревом и температурными напряже ниями, для радиально и тангенциально поляризованного излучения.
11—298 153
Р азность м еж д у зованного излучения, цилиндра, равна:
A B ( г ) для радиально и тангенциально поляри распространяю щ егося на расстоянии г от оси
ат£ |
ДБг(г)— Д£ф(г) = |
|
|
||
«I |
rpR |_ |
J_rpRiR |
|
||
("»—«1і) 3 |
Г* |
Т (г) |
|||
|
2 1 |
||||
(6-70)
Для активных злементоз частотных и непрерывных ОКГ, как указывалось выше '(см. тл. 3), распределение температуры по сече нию сплошного цилиндрического стержня описывается соотноше нием
T ( r ) - T ( R ) = S T ^ L - - ^ y |
(6-71) |
где бТ — перепад температуры между центром и боковой поверхно стью.
Тогда в соответствии с (6-68), (6-69), (6-71) перепад показателя преломления между центром и произвольной точкой сечения г ра вен:
«Зат£ |
Апг (0, г) = |
Апг (0) — Апг (г)■ |
|
|||
«и ^1 |
2 |
2 'j |
^ ß 'j » (6-72) |
|||
4(1 -V) |
||||||
/і3атЕ |
Лпч, (0, г) = |
Д/гф (0) — дnv(r) = |
|
|||
|
+ ■ _^+«12 (З |
|
(6-73) |
|||
4 ( 1 — V) |
|
|
||||
Следует отметить, что термические напряжения вызывают из |
||||||
менения показателя преломления, зависящие |
от |
угловой коорднна- |
||||
ты 0. На рис. 6-6 представлена |
зависимость |
Ап (0, г) |
||||
- |
от угла Ѳ, рас |
|||||
считанная в соответствии с (6-72) и (6-73). При расчете исполь
зовались |
следующие |
значения |
констант: £=2,85-10° кгс-см~г\ п= |
|||||||
= 1,825, |
ß=7,3 - ІО- 6 |
К "1, ѵ=0,25; а т=6,9 • 10-° |
К“ 1, itn = U,8 X |
|||||||
X ІО“ 9 см2-кгс~‘, Яі2= 5 - 10~9 сл(2 -кгс-1; |=3,12. |
|
|
|
|||||||
Если ось цилиндрического стержня совпадает с направлением |
||||||||||
{111], то из соотношений (6-67) |
следует: |
|
|
|
|
|||||
АВГ (г) = - / - |
атЕ |
|
["..(1-6)+ «»(3 + 5)]} г (г )- |
|||||||
2(1 — ѵ) |
||||||||||
|
|
{ п3 |
|
|
|
|
|
|||
|
|
ctTE |
|
|
Ri |
'J’Rіг' -j- |
|
aTE |
||
|
6(1 —V) (" и - *»)(!+26) |
|
6 (1 — V) X |
|||||||
• X |
|
|
|
|||||||
«11 (4 — 6) +«12 (8 + 6) |
|
(«и —«»)(! + 2|) |
pRiR |
|||||||
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
(6-74) |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
154