Другие журналы

научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана

НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Издатель ФГБОУ ВПО "МГТУ им. Н.Э. Баумана". Эл № ФС 77 - 48211.  ISSN 1994-0408

Преобразование широкополосного ИК-излучения в кристаллах ниобата лития стехиометрического и конгруэнтного состава

# 07, июль 2012
DOI: 10.7463/0712.0431642
Файл статьи: 1Литвинова_P.pdf (385.68Кб)
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

man_nen@mail.ru

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 10´10´10 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 10´8´14 мм3 с ребрами, параллельными кристаллофизическим осямxyz.

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 λ0, 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 λ0, ширины спектра Δλ, полуширины спектра ΔλI/2, относительной эффективности преобразования η для номинально чистых кристаллов, выращенных из растворов стехиометрического и конгруэнтного составов. Эффективность преобразования η номинально чистого кристалла LiNbO3 стех.(58,6 мол.% Li2O) была принята за единицу.

 

Таблица 1

№п/п

кристалл

λ0, нм

Δλ,нм

ΔλI/2,нм

η, %

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 λ0 = 495 нм, а  максимум в спектре кристалла LiNbO3 (6 мас.% K2O) соответствует длине волны λ0 = 505 нм, что свидетельствует о незначительном отклонении состава кристалла от стехиометрического. Полуширина спектраΔλI/2, а также относительная эффективность преобразования η, 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 λ0, 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 λ0 = 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.

5.   Калинников В.Т. Фундаментальные основы технологии высокосовершенных монокристаллов ниобата лития: аналитический обзор / Калинников В.Т., Палатников М.Н., Сидоров Н.В. Апатиты: КНЦ РАН, 2005.

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. Krätzig. 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.


Тематические рубрики:
Поделиться:
 
ПОИСК
 
elibrary crossref ulrichsweb neicon rusycon
 
ЮБИЛЕИ
ФОТОРЕПОРТАЖИ
 
СОБЫТИЯ
 
НОВОСТНАЯ ЛЕНТА



Авторы
Пресс-релизы
Библиотека
Конференции
Выставки
О проекте
Rambler's Top100
Телефон: +7 (915) 336-07-65 (строго: среда; пятница c 11-00 до 17-00)
  RSS
© 2003-2024 «Наука и образование»
Перепечатка материалов журнала без согласования с редакцией запрещена
 Тел.: +7 (915) 336-07-65 (строго: среда; пятница c 11-00 до 17-00)