Исследование динамических фотоупругих свойств монокристаллического ниобата лития: разработка модели, моделирование и эксперимент

Введение. Развитие вычислительных систем позволяет производить моделирование относительно сложных физических процессов, для последующего применения результатов моделирования в научных исследованиях и технологических процессах. Представлены результаты разработки модели, методов моделирования и натурного эксперимента, а также применение разработок для исследования некоторых линейных и нелинейных динамических фотоупругих свойств прозрачных пьезокристаллов на примере ниобата лития. Метод. Разработана математическая модель и экспериментальная установка для изучения линейных и нелинейных динамических фотоупругих и электрооптических свойств пьезокристаллов. Произведены натурные эксперименты. Предложен метод эксперимента на основе совместного измерения и последующей обработки тока, напряжения и интенсивности поляризационно-фазовой модуляции за счет динамической фотоупругости, что особенно ценно для изучения нелинейных явлений. Разработанная модель за счет учета пространственной дисперсии и диссипации волновой энергии позволяет с высокой точностью моделировать оптический эффект — динамическое вращение поляризации, т. е. динамическую фотоупругость. Сопоставление результатов моделирования с данными эксперимента на основе анализа позволяет сделать вывод о соответствии результатов моделирования экспериментальным данным и возможности применения математической модели для решения системных задач, связанных с исследованием оптических свойств возмущенных пьезокристаллов. Основные результаты. Разработанная модель позволяет определить распределение упругих деформаций кристаллического объекта при пьезовозмущении; идентифицировать резонансные частоты, тип и порядок волновых мод; для произвольных траекторий распространения оптического излучения определить углы вращения поляризации при динамической фотоупругости. Результаты эксперимента позволят выполнить картирование распределения внутри кристалла (электрического поля, деформаций типа растяжение/сжатие и сдвиг, коэффициентов преломления) и расчет конверсии волновой энергии оптических мод. Обсуждение. Практическая значимость проведенного исследования заключается в разработанной математической модели и порядка проведения эксперимента для регистрации линейных и нелинейных эффектов динамической фотоупругости пьезокристаллов. Результаты работы могут быть полезны в задачах научного и практического назначения, например, при исследовании и проектировании акустооптических модуляторов, разработке и устройств и систем обращения волнового фронта на нелинейных кристаллах, построении различных датчиков и др.

1. Ярив А., Юх П. Оптические волны в кристаллах. М.: Мир, 1987. 616 с.

2. Палатников М.Н., Сандлер В.А., Сидоров Н.В., Ефремов И.Н., Макарова О.В. Оценка степени униполярности кристаллов LiNbO3 при исследовании их статических и динамических пьезоэлектрических свойств // Неорганические материалы. 2020. Т. 56. № 11. С. 1215–1220. doi: 10.31857/ S0002337X20110123

3. Матвеев В.А., Гришенцев А.Ю., Коробейников А.Г. Разработка и изготовление электрооптического модулятора на основе эффекта Поккельса // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2025. Т. 68. № 3. С. 239–248. doi: 10.17586/0021-3454-2025-68-3-239-248

4. Голенищев-Кутузов А.В., Голенищев-Кутузов В.А., Калимуллин Р.И., Семенников А.В. Динамика фотоиндуцированных изменений упругих характеристик кристаллов ниобата лития, допированных ян-теллеровскими ионами Fe2+ // Физика твердого тела. 2017. Т. 59. № 2. С. 296–301. doi: 10.21883/FTT.2017.02.44051.297

5. Ефремов И.Н., Бирюкова И.В., Теплякова Н.А., Палатников М.Н. Получение крупногабаритных нефоторефрактивных кристаллов LiNbO3:Zn методом Чохральского из расплава // Труды Кольского научного центра РАН. Серия: Технические науки. 2023. Т. 14. № 3. С. 132–137. doi: 10.37614/2949-1215.2023.14.3.024

6. Clementi G. LiNbO3 films: integration for piezoelectric and pyroelectric energy harvesting. Université Bourgogne FrancheComté, 2020. 199 p.

7. Гуляев Ю.В., Кмита А.М., Котелянский И.М. Возбуждение и усиление поверхностных акустических волн в структуре полупроводник–пьезоэлектрическая пленка — полупроводники // Физика и техника полупроводников. 1971. Т. 5. № 1. С. 80–84.

8. Зайцев Б.Д., Калинин В.Ю., Кузнецова И.Е. Нелинейное электроакустическое взаимодействие упругих волн в пластинах ниобата лития // Акустический журнал. 1999. Т. 45. № 2. С. 229–234.

9. Зарембо А.К., Красильников В.А. Нелинейные явления при распространении упругих волн в твердых телах // Успехи физических наук. 1970. Т. 102. № 4. С. 549–586.

10. Бородина И.А., Джоши С.Г., Зайцев Б.Д., Кузнецова И.Е. Акустические волны в тонких пластинах ниобата лития // Акустический журнал. 2000. Т. 46. № 1. С. 42–46.

11. Boyd R.W. Nonlinear Optics. Academic Press, 2020. 634 p.

12. Гришенцев А.Ю. Метод синтеза алфавитов ортогональных сигнальных широкополосных сообщений // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2018. Т. 18. № 6. С. 1074–1083. doi: 10.17586/2226-1494-2018-18-6-1074-1083

13. IEEE Standard on Piezoelectricity: 176-1987 // IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 1996. V. 43. N 5. P. 54.

14. Ballato A., Ballato J. Acoustic properties of piezoelectric cubic crystals // International Journal of Ceramic Engineering and Science. 2023. V. 5. N 5. P. e10182. doi: 10.1002/ces2.10182

15. Агранович В.М., Гинзбург В.Л. Кристаллооптика с учетом пространственной дисперсии и теория экситонов. М.: Наука, 1979. 432 с.

16. Guo Y., Kadota M., Tanaka S. Hetero acoustic layer surface acoustic wave resonator composed of LiNbO3 and quartz // IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 2024. V. 71. N 1. P. 182–190. doi: 10.1109/TUFFC.2023.3337249

17. Сиротин Ю.И., Шаскольская М.П. Основы кристаллофизики. М.: Физматлит, 1979. 640 с.

18. Баранский К.Н. Физическая акустика кристаллов. М.: Ленанд, 2017. 144 с.

19. Койгеров А.С., Балышева О.Л. Численный анализ параметров псевдоповерхностных акустических волн в кристаллах ниобата и танталата лития // Радиотехника и электроника. 2021. Т. 66. № 12. С. 1224–1232. doi: 10.31857/S0033849421120123

20. Lim H.S., Huang J.D., Zhang V.L., Kuok M.H., Ng S.C. Evaluation of acoustic physical constants of LiNbO3 at hypersonic frequencies // Journal of Applied Physics. 2003. V. 93. N 12. P. 9703–9708. doi: 10.1063/1.1577403

21. Демирчян К.С., Нейман Л.Р., Коровкин Н.В., Чечурин В.Л. Теоретические основы электротехники. Т. 3. СПб.: Питер, 2006. 377 с.

22. Гришенцев А.Ю. Моделирование распределения плотности тока в сложном неоднородном проводнике. Часть 1 // Научнотехнический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики. 2006. № 29. С. 87–94.

23. Шандаров С.М., Шандаров В.М., Мандель А.Е., Буримов Н.И. Фоторефрактивные эффекты в электрооптических кристаллах. Томск: Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, 2012. 244 с.

24. Ren X., Lee C., Xue K., Ou S., Yu Y., Chen Z., Yu M. Photorefractive and pyroelectric photonic memory and long-term stability in thin-film lithium niobate microresonators // Npj Nanophotonics. 2025. V. 2. N 1. P. 1–6. doi: 10.1038/s44310-024-00052-3

25. Yamada T., Niizeki N., Toyoda H. Piezoelectric and elastic properties of lithium niobate single crystals // Japanese Journal of Applied Physics. 1967. V. 6. N 2. P. 151. doi: 10.1143/JJAP.6.151

26. Damle R.V. Elastic constants of lithium niobate // Journal of Physics D: Applied Physics. 1992. V. 25. N 7. P. 1091–1095. doi: 10.1088/0022-3727/25/7/009

27. Smirnov A., Anisimkin V., Ageykin N., Datsuk E., Kuznetsova I. Influence of Lamb wave anisotropy on detection of water-to-ice phase transition // Sensors. 2024. V. 24. N 24. P. 7969. doi: 10.3390/s24247969

28. Gualtieri J.G., Kosinski J.A., Ballato A. Piezoelectric materials for acoustic wave applications // IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 1994. V. 41. N 1. P. 53–59. doi: 10.1109/58.265820