авторы: Литвинова М. Н., Сюй А. В., Криштоп В. В., Сидоров Н. В., Палатников М. Н.
УДК 535.2 :548.1.022
Россия, ДВГУПС
Россия, ИХТРЭМС КНЦ РАН
alsyuy271@gmail.com
krishtop@list.ru
sidorov@chemy.kolasc.net.ru
palat_mn@chemy.kolasc.net.ru
Введение
Кристаллы ниобата лития являются наиболее перспективными кристаллами для преобразований ИК-сигналов и изображений, основанных на нелинейно-оптических процессах генерации второй гармоники и суммарных частот [1, 2]. В работе [3] было исследовано влияние температуры теплового объекта и параметров излучения накачки на спектр и эффективность преобразования широкополосного инфракрасного излучения в кристалле ниобата лития. Однако влияние состава кристалла ниобата лития на спектр преобразованного широкополосного излучения до сих пор не было изучено.
В работе исследовано преобразование широкополосного ИК-излучения в монокристаллах ниобата лития с разным отношением R = Li/Nb в условиях некритичного 90-градусного синхронизма при реализации векторных взаимодействий световых волн.
Кристаллы ниобата лития стехиометрического состава с отношением R = 1, выращенные из расплава с избытком Li2O, отличаются высокоупорядоченной катионной подрешеткой [4, 5] иболее стойки к оптическому повреждению [5], но обладают большой оптической неоднородностью, которая резко снижает эффективность нелинейно-оптических преобразований [6]. Кроме того, значительная неоднородность состава по длине були, возникающая в процессе роста, затрудняет выращивание таких кристаллов достаточно большого размера [5].Монокристаллы ниобата лития с отношением R = 0,946, выращенные из обедненного Li2O расплава, соответствующего конгруэнтному составу, характеризуются разупорядоченной катионной подрешеткой и наиболее высоким оптическим качеством [5, 6]. Однако такие кристаллы обладают повышенной фоторефрактивной чувствительностью к повреждению лазерным излучением, что ограничивает их применение в оптических устройствах [4-7].
Выращивание оптически однородных кристаллов ниобата лития для использования его в нелинейно-оптических преобразователях и других устройствах квантовой электроники возможно при содержании в расплаве конгруэнтного состава с отношением R=0,946 примеси 6 мас.% K2O [5, 6]. Монокристаллы ниобата лития с близким к стехиометрическому составом с отношением R = 0,988, выращенные с использованием примеси К2О, имеют более разупорядоченную структуру и характеризуются постоянным показателем преломления вдоль оси роста [5, 6]. При малых мощностях лазерного излучения (меньше 30 мВт) кристаллы ниобата лития с близким к стехиометрическому составом обладают меньшим фоторефрактивным эффектом по сравнению со стехиометрическими кристаллами [8, 9]. При больших мощностях лазерного излучения (больше 30 мВт) эффект фоторефракции в кристаллах ниобата лития с близким к стехиометрическому составом значительно выше, чем в кристаллах стехиометрического состава [9].
Монокристаллы, характеризующиеся более упорядоченной структурой, обладают минимальным фоторефрактивным эффектом [5]. Увеличение фоторефрактивного эффекта в кристаллах ниобата лития при разупорядочении структуры, объясняется наличием большего количества заряженных собственных дефектов, создающих глубокие уровни захвата в запрещенной зоне [9].
Экспериментальные исследования
В работе исследованы монокристаллы ниобата лития стехиометрического состава (Li/Nb = 1), выращенные методом Чохральского из расплава с 58,6 моль % Li2O, и монокристаллы ниобата лития с близким к стехиометрическому составом, выращенные модифицированным методом Чохральского из расплава конгруэнтного состава в присутствии флюса К2О. Исследуемые образцы отличаются упорядочением структурных единиц катионной подрешетки вдоль полярной оси кристалла. Монокристаллы конгруэнтного состава характеризуются более разупорядоченной катионной подрешеткой и более высокой однородностью показателя преломления вдоль полярной оси кристалла, по сравнению с кристаллами стехиометрического состава [5].
Номинально чистые монокристаллы стехиометрического состава LiNbO3 стех. (58,6 мол.% Li2O) и конгруэнтного состава LiNbO3 конгр. имели форму куба с размерами 101010 мм3 с ребрами, параллельными кристаллофизическим осямx, y, z. Ось z совпадала по направлению с полярной осью кристалла Рs. Монокристалл ниобата лития с близким к стехиометрическому составом LiNbO3 (6 мас.% K2O) имел форму параллелепипеда с размерами 10814 мм3 с ребрами, параллельными кристаллофизическим осямx, y, z.
В эксперименте в качестве источника инфракрасного излучения использовалась лампа с маленькой вольфрамовой нитью [3]. Излучение фокусировалось системой двух линз на переднюю грань кристалла. Ось расходящегося пучка инфракрасного излучения была направлена вдоль оси х, под углом 90° к кристаллофизической осиz кристалла. Перед кристаллом устанавливался светофильтр КС17, который выделяет излучение в диапазоне длин волн 0,66–2,7 мкм. Второй светофильтр СЗС22, установленный после кристалла, пропускает излучение второй гармоники и суммарных частот, которые генерируются в нелинейно-оптическом кристалле, и задерживает инфракрасное излучение. Преобразованное излучение, прошедшее через монохроматор МСД-2, попадало в фотоэлектронный умножитель ФЭУ-29. Затем сигнал усиливался селективным усилителем У2-8, настроенным на частоту модуляции инфракрасного излучения. Усиленный сигнал оцифровывался и вводился в IBM-совместимый компьютер.
При распространении расходящегося пучка широкополосного инфракрасного излучения в нелинейно-оптическом кристалле, в направлении фазового синхронизма для одной из входящих частот происходит генерация второй гармоники и суммарных частот [10-11]. Условия синхронизма при нелинейно-оптическом взаимодействии определяются зависимостью показателей преломления от отношения R = Li/Nb в кристалле ниобата лития.
На рис. 1 показаны спектры широкополосного излучения, преобразованного в монокристаллах ниобата лития стехиометрического и конгруэнтного составов в условиях некритичного 90-градусного синхронизма при реализации векторных взаимодействий оо-е типа. В эксперименте расходимость падающего на кристалл пучка широкополосного инфракрасного излучения была равна 8°. Максимум спектра соответствует длине волны 0, для которой выполняетсяусловие 90-градусного фазового синхронизма. Ширина спектра преобразованного излучения в значительной степени зависит от типа используемого кристалла, его толщины, типа взаимодействия, а также от положения частоты синхронизма в спектре падающего излучения [10-11]. Максимальная ширина спектра преобразованного излучения достигается в случае, когда частота синхронизма выбрана точно в середине частотного диапазона падающего ИК-излучения.
Рис. 1. Спектры преобразованного широкополосного излучения в кристалле ниобата лития: а) LiNbO3 стех. (58,6 мол.% Li2O), б) LiNbO3 (6 мас.% K2O), в) LiNbO3 конгр
В таблице 1 приведены значения длины волны 90-градусного фазового синхронизма 0, ширины спектра , полуширины спектра I/2, относительной эффективности преобразования для номинально чистых кристаллов, выращенных из растворов стехиометрического и конгруэнтного составов. Эффективность преобразования номинально чистого кристалла LiNbO3 стех.(58,6 мол.% Li2O) была принята за единицу.
Таблица 1
№п/п
кристалл
0, нм
,нм
I/2,нм
, %
1
LiNbO3 стех.(58,6 мол.% Li2O)
495
50
21
1
2
LiNbO3 (6 мас.% K2O)
505
70
24
1,35
3
LiNbO3 конгр.
525
71
25
1,41
Из таблицы 1 видно, что максимум в спектре кристалла стехиометрического состава LiNbO3 стех. (58,6 мол.% Li2O) наблюдается на длине волны 0 = 495 нм, а максимум в спектре кристалла LiNbO3 (6 мас.% K2O) соответствует длине волны 0 = 505 нм, что свидетельствует о незначительном отклонении состава кристалла от стехиометрического. Полуширина спектраI/2, а также относительная эффективность преобразования , для кристаллов LiNbO3 (6 мас.% K2O) и LiNbO3 конгр. имеют близкие значения и превышают данные значения для кристалла LiNbO3 стех. (58,6 мол.% Li2O).
Таким образом, положение максимума в спектре преобразованного широкополосного излучения определяется зависимостью показателей преломления от состава кристалла ниобата лития. При увеличении отношения R = Li/Nb и степени упорядоченности катионной подрешетки кристалла, максимум спектра преобразованного широкополосного излучения смещается в область коротких длин волн, а эффективность преобразования широкополосного излучения в кристалле ниобата лития уменьшается. Изменение отношения R = Li/Nb на тысячные доли приводит к смещению максимума на 10-30 нм.
Полученные результаты хорошо коррелируют с данными спектроскопии комбинационного рассеяния света (КРС). Соответствие кристаллической структуры кристалла ниобата лития стехиометрическому составу можно с высокой точностью определять по спектрам КРС [5, 8]. Интенсивность линии с частотой 120 см-1 равна нулю в спектре кристалла стехиометрического состава (R = 1) и отлична от нуля при незначительном отклонении состава кристалла от стехиометрического состава. Причем интенсивность этой линии возрастает при увеличении отклонения состава от стехиометрического, что свидетельствует о возрастании разупорядочения катионной подрешетки кристалла. При этом увеличение ширины линий с частотами 254 и 274 см-1, соответствующих полносимметричным (А1) колебаниям ионов Li+ и Nb5+ в кислородных октаэдрах, и ширины линий, соответствующих колебаниям кислородных октаэдров NbO6, при незначительном отклонении состава кристалла от стехиометрического состава также надежно свидетельствует о разупорядочении в расположении катионов Li+, Nb5+ и вакансий вдоль полярной оси кристалла и более сильной деформации кислородных октаэдров в кристалле [8].
Вывод
Таким образом, в работе показано, что эффективность преобразования, ширина спектра и положение максимума спектра преобразованного излучения зависят от отношения R = Li/Nb в кристалле ниобата лития.
Впервые показано, что различия в значении R = Li/Nb в кристалле ниобата лития можно определить, используя спектры преобразованного широкополосного излучения. Положение максимума спектра, соответствующего длине волны 90-градусного фазового синхронизма 0, смещается при незначительных изменениях состава и структуры кристалла и может служить в качестве точного экспериментального критерия определения отношения R = Li/Nb в кристалле ниобата лития. В спектре высокоупорядоченных кристаллов строго стехиометрического состава максимум соответствует длине волны 0 = 495 нм.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кузьминов Ю.С. Электрооптический и нелинейнооптический кристалл ниобата лития. М.: Наука, 1987. 264 с.
2. Блистанов А.А. Кристаллы квантовой и нелинейной оптики. М.: МИСИС, 2000. 430 с.
3. Толстов Е.В., Криштоп В.В., Строганов В.И. и др. Температурные характеристики преобразователя излучения на основе нелинейно-оптического кристалла / Известия вузов. Приборостроение. 2004. № 10. С. 74–77.
4. Ниобат лития: дефекты, фоторефракция, колебательный спектр, поляритоны / Сидоров Н.В. и др. М.: Наука, 2003.
6. Баласанян, Р.Н. Габриэлян, В.Т., Казарян, Л.М. Исследование кристаллов ниобата лития, выращенных из расплава с примесью К2О // Доклады Национальной академии наук Армении. Сер. Физика. 2000. Т. 100. №2. С. 134-140.
7. F. Jermann, M. Simon, and E. Krtzig. Photorefractive properties of congruent and stoichiometric lithium niobate at high light intensities // J. Opt. Soc. Am. B 12, 2066-2070 (1995).
8. Сидоров, Н.В., Палатников, М.Н., Габриелян, В.Т. и др. Спектры комбинационного рассеяния света и дефекты номинально чистых монокристаллов ниобата лития / Неорганические материалы, 2007, Т. 43, №1, С. 66-73.
9. Cидоров Н.В., Антонычева Е.А., Сюй А.В., Палатников М.Н. Фоторефрактивные свойства монокристаллов ниобата лития стехиометрического состава / Кристаллография, 2010, Т. 55, № 6, с. 1079–1084.
10. Кривощеков Г.В., Колпаков Ю.Г., Самарин В.И. и др. Преобразование оптического излучения с широким спектром в нелинейных кристаллах / Журнал прикладной спектроскопии. 1979. Т. 30. № 5. С. 884–889.
11. Строганов В.И., Троилин В.И. Преобразование немонохроматического широкополосного ИК изображения в нелинейных кристаллах иодата и формиата лития / Журнал прикладной спектроскопии. 1989. Т. 50. № 2. С. 297–301.
