Фото- и акустоиндуцированные процессы в ниобате лития, допированном ионами железа тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На праиах рукописи

КАЛИМУЛЛШ1 Руегем Ирекович

ФОТО- И АКУСТОИНДУЦИРОВАННЫЕ ПРОЦЕССЫ В НИОБАТЕ ЛИТИЯ, ДОПИРОВАННОМ ИОНАМИ ЖЕЛЕЗА

01.04.07 - физика твердого тела

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Катлш, - 1998

Работа выполнена па кафедре промышленной электроники Казанского филиала Московского знергетичсского ннстшуга (технического университета)

Научный руководитель: доктор физико-математических. наук.

профессор Голенищев-Кутузов В.А.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Иванов С.Н.

кандидат физико-матеМатческих наук, доцент Силкин Н.И.

Ведущая оргапп чацпя: Казанский фпзнко-те.хничеекпй лнеппуг

им. П.К.Завойского КНЦ РАН

Защита состоится "-¿^ "_________.1998 г. вЗРчяс.

на заседании Диссертационного совета Д 053.29.02 при Казанском государственном университете (420008, г. Казань, ул. Кремлевская, 13).

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке университета.

" /У-' ____1993 г.

Автореферат разосл

Ученый секретарь Диссертационного совета доктор фнз.-мат. наук, профессор М.В.Ерсмин-

общая характеристика работы

АКТУАЛЬНОСТЬ Ч'КМЫ

связана с широким применением фоторефрактивных кристаллов и особенно ниобата пития н разнообразных элементах опто- и акустоэлектронпки, в частности в усфойствах для генерации высших гармоник оптического излучения, топографических решетках, фильтрах, объемной топографической памяти, устройствах для оптической генерации и детектирования акустических, колебании и мша- и гигагерцовых диапазонах. Н основе большинства реализованных до наших диен предложений лежит использование так напыляемых топографических решеток, представляющих собой периодическую структуру фотоиндуцированных изменений показателя преломления. Эти топографические решетки, несмотря на разработанные способы их фиксации, недостаточно устойчивы к повторному лазерному облучению или повышению температуры.

Колее перспективным в настоящее время является применение для этих же цепей периодических доменных структур и сегпетоэлектрическнх кристаллах. Пока такие доменные структуры нашли. применение для генерации второй гармоники полупроводниковых лазеров. Технологически разработанные способы формирования периодических доменных структур достаточно сложны, и получаемые решетки не всегда соответствуют заданным условиям. Поэтому встала проблема как поиска новых способов создания таких структур, так и расширения их практического использования.

Поскольку в основе большинства известных • способов формирования домеиов и доменных структур лежит переполяризация во .внутреннем или приложенном электрическом иоле, то представлялось возможным использонание и чтих целях фотоиндуцированных электрических полей в элекгрооптических кристаллах. Реальное решение поставленной задачи во многом сдерживалось малочисленностью фундаментальных исследований по механизмам формирования доменных структур и взаимодействию оптического излучения с такими структурами.

ЦЕЛЬ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

заключалась в исследовании образования доменов н доменных структур под действием оптического излучения и акустических попей и

изучении взаимодействия оптического излучении с доменными структурами н ссгнетопьсзоэлсктричсских кристаллах.

оьъкктм и методы ж:с:лкдовлшш

В качестве объекта исследования был выбран монокристалл ииобата лития. К настоящему Тфсмени он наиболее хорошо исследован. Выращивание крупных монокристаллов достигло большого совершенства, .хороню отработаны методы изучения его электрических, оптических и акустических характеристик. Он обладает уникальной совокупностью наиболее высоких среди кислородно-октаодрических кристаллов оптических, акустических и пьезоэлектрических характеристик. Поэтому ниобат лития широко используется в ньсзонреобра зоватсльных, модуляционных и друг их устройствах.

Для проведения экспериментальных исследовании было использовано несколько экспериментальных методов, включающих в том числе восстановительный отжиг образцов при температуре 450-600 '"'С и атмосфере гелия, позволяющий изменять валентное состояние примесных ионов. Контроль за концентрациями и валентным состоянием примесных ионов железа осуществлялся с помощью ЭПР и акустического ЭПР. Кроме того, диссертантом были разработаны методики формирования сегнстоэлектрических доменов и доменных структур при оптическом и оптоакустическом воздействии на образцы, а также изучения генерации и распространения поверхностных акустических волн в условиях оптического облучения^ образцов со сформированными в них доменными структурами. Оптическое облучение образцов производилось пучками лазера па иттрий-алюминиевом гранате с длиной волны второй гармоники 0,53 мкм. Выбор именно такой длины полны облучения был обусловлен тем, что оно способно возбуждать как примесные, так и структурные центры, участвующие в фотоиндуцированных процессах [I].

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ

I. Впервые обнаружено возникновение локальной инвертированной поляризации (ссгиетоэлекгрического домена) в ранее моиодомсппых образцах ииобата лития, содержащих примесные ионы железа в общей концентрации 10,8-1015 см^ при относительной концентрации ионов Кс2+ ~ 20-40% под действием только лазерного облучения. "Установлено, что возникновение локальной

инвертированной политизации возможно и кристаллах при их облучении лазерным пучком с длиной полны 0,53 мкм в виде импульсов с длительностью 10"7 с, частотой следования I кГц и плотностью мощности в импульсе 104-И)5 Вт/см2 и диапазоне температур 130-160°С. Покапано, что возникновение сегнетоэлектрического доменного состояния спя.пи 10 с фотоиндуцированным разделением примесных ионов с переменной валентностью и последующим образованием поля -электрических зарядов, инверсного по знаку и превосходящему по величине иоле спонтанной поляризации.

2. Исследовано возникновение периодической доменной структуры в образцах пиобата лития в условиях оптического облучения поверхности и одновременного распространения стоячей поверхностной акустической полны. Установлено, что возникновение доменной структуры возможно в образцах с общей концентрацией ионов железа не менее Ю18 см-3 и относительной концентрацией попов Ре2+ 20-40% при их облучении лазерным пучком с длиной волны 0,53 мкм и плотностью мощности не менее 50 мВт/см2 в диапазоне температур 120-160°С и при относительных акустических деформациях Г1ЛВ не менее 10-4. Показано, что формирование периодической доменной структуры происходит под действием пространственно периодического электрического ноля ионов железа, перераспределенных пьезоэлектрическим полем стоячей акустической волны.

3. Впервые обнаружена и исследована генерация поверхностных и приповерхностных акустических волн при облучении периодической доменной структуры, сформированной в образце пиобата лития (общая концентрация ионов железа !018 см*3 при относительной концентрации ионов Г'е2+ ~ 20%), импульсным лазерным пучком (длина волны 0,53 мкм, длительность 1,2- с, частота следования 30-50 Гц, плотность мощности в импульсе ИИ Вт/ем'). Предположено, что при коэффициенте поглощения поверхности образца ~ 10 см-1 возбуждение акустических воли происходит за счет термоупругого механизма, при меньших коэффициентах поглощения генерация осуществляется, главным образом, посредством электронного механизма. Показано, что при электронном механизме генерация осуществляется посредством периодической модуляции электрических полей в доменах электрическими полями фотовозбужденных электронов.

Усыновлено, что генерация акустических волн наиболее эффективна «а длинах волк, кратных периоду доменной структуры. 4. Исследопано влияние изменения концентрации фотовозбужденных электронов на распространение акустических волн в ппобате лития. Висриыс обнаружено, что увеличение концентрации фотоэлектронов приводит к возрастаниго токовой (концентрационной) нелинейности, что проявляется в возрастании амплитуды второй акустической гармоники.

ПРАКТИЧГССКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ

1. Разработаны способы создания с сп I етоэ л ектр 11 ч с с к п х доменов в ниобатс лития, содержащем прнмесныс ионы железа, основанные на оптически и оптоакустически индуцированном перераспределении примесных нойон с переменной валентностью.

2. Показана возможность использования периодических доменных структур в ссгнетоэлектриках для оптической генерации и детектирования акустических колебании.

3. Показана возможность управления процессом генерации второй акустической гармоники в кристаллах пиобата лития, обусловленным токовой (концентрационной) нелинейностью, с помощью оптического облучения.

ДОСТОВЕРНОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ и ВЫВОДОВ

обеспечивается использованием разнообразных экспериментальных методик, хорошим совпадением экспериментальных результатов с теоретическими моделями, а также хорошим согласованием полученных диссертантом результатов с экспериментальными данными и предположениями других исследоват елей.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ. ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ

I. Под действием интенсивного оптического излучения (длина волны 0.53 мкм, плотность мощности 1-10 Вт/см2) поверхности моиодомеипого образца пиобата лития с общей концентрацией примесных ионов железа ~ см~3 при относительной

концентрации ионов Ре2+ " 20-35% вследствие фотовольтаического эффекта происходит пространственное разделение донорных (ионы Ее"') и акцепторных (ноны центров, что создает иоле

пространственного заряда, которое при температуре ~ 150°С может превышать поле спонтанной поляризации, что приводит к возникновению локальной инверсной поляризации.

2. Электрическое поде, сопровождающее стоячую акустическую волну с относительной деформацией не менее 1(Н в образцах нпобата лития с общей концентрацией примесных ионов железа ~ Ю'Мсм-3 при относительной концентрации ионов 1ч>2+~20-35%, создает пространственное перемещение фотоиицуцнрованных электронов, которое приводит к пространственному перераспределению примесных ионов; заряды последних вызывают электрические ноля, способные при температуре ~ 150"О создавать периодическую переполяризацию ранее монодомепного образца.

3. Периодические доменные структуры, сформированные в пнобате лития, способны генерировать акустические колебания под действием импульсного или -амплитудно модулированного оптического излучения. Эффективность генерации акустических волн значительно возрастает при выполнении условия кратности частоты генерируемой волны пространственному периоду доменной структуры.

4. Увеличение концентрации фотоэлектронов приводит к возрастанию токовой (концентрационной) нелинейности, что проявляется в возрастании амплитуды второй акустической гармоники, генерируемой в кристалле ниобатл лития при распространении в нем ПА.В.

ЛШ'ОНЛЩШ РЛПОТЫ

Основные результаты работы докладывались на VI международном симпозиуме по фотонному эхо и когерентной спектроскопии (Йошкар-Ола, 1997), Международном симпозиуме по акустоолектронике, управлению частотой и генерации сигналов (С.Петербург - К тип - Валаам - С.-Петербург, 1998), Республиканской научно-технической конференции "Проблемы энергетики" (Казань, 1998), а также регулярно обсуждались ни иснирантско-магисфских семинарах Казанского филиала Московского энергетического института (ТУ).

Полученные результаты были включены в отчеты по гранту РФФИ (трант 96-02-18229), а также были использованы 1» учебном процессе кафедры промышленной электроники КФ МЭН при чтении курса по акустоэлектроппке.

ПУБЛИКАЦИИ

Основное содержание диссертации положено в 8 печатных работах, список которых приведен в конце автореферата.

Вклад диссертанта в перечисленные работы заключается в:

- участии к постановке задачи;

- участии 75 разработке экспериментальных установок: непосредственном проведении экспериментов;

- обсуждении и интерпретации полученных результатов;

- участии 1! написании текстов публикации.

Научному руководителю ВА.Голеннщеву-Кугузову принадлежит постановка общей темы исследований, формулировка задач.

С'П'УКТУГД И ОКЪКШДОССЮ'ТЛЦИИ.

Диссертация состоит из введения, 3-х глав, заключения, списка литературы и содержит 106 страниц печатного текста, в том числе 25 рисунков.

содержа! iiiи работы

1КНШ1ШШШ1

обсуждена актуальность выбранной темы диссертации, сформулирована цель работы, указана се научная новизна и практическая значимость. Изложены основные положения, выносимые на защиту.

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ

представлен аналитический обзор процессов и механизмов воздействия когерентного оптического излучения на прозрачные сстпетоэлсктричсские кристаллы. Основное внимание обращено на роль I! оптонпдунироианпых процессах примесных нонов с переменной валентностью, например, ионов Не2+ и Показано, что именно

оптическая перезарядка таких ионов, приводящая к возникновению сильных электрических полей пространственно перераспределенных зарядов (от Ю-1 В/см при общей концентрации нонов железа ДМО17

см-3 до КР В/см при Л/~ I О« см-3 и отношении концентрации нонов

24* 3+

1гс к концентрации Ре ~ 0,2-0,4 [2]), в принципе способна

производить локальную перепошризацию монокристаллов, обладающих спонтанной поляризацией. Па основе анализа известных по литературе экспериментальных фактов и моделей сформулированы основные предпосылки выполнения экспериментальных исследований но о что- и акустически индуцированному формированию доменов и доменных структур.

НС) ВТОРОЙ ГЛАВК

содержатся экспериментальные результаты исследований по обнаружению сегнс'тоэнектрическнх доменов и периодических доменных crpyicryp и условиях оптического возбуждения примесных ионов (доиорных центров) в первоначально моиодоыепных образцах ниобата лития.

В первой части главы приведено описание освоенной диссертантом методики идентификации 1X0" сегнетоэлсктрнческнх доменов, основанной на применении интерферометра Маха-Иепера п прпложеннии к образцу электрического поля вдоль оси спонтанной поляризации. 'Этот метод уже применялся для идентификации 1Я0" доменов в ипобате лития китайскими [3) и американскими |4) учетами!

Метод основан па различии знака электрооптнческого тензора' для соседних 1 НО'" доменов. При приложении к образцу электрического ноля вдоль его оси спонтанной поляризации тензор двулучепрелоыления за счет олекфооптпческого эффекта будет модулироваться квазинерноднчески, что эквивалентно периодическому изменению показателя преломлении. Mciioj.ii,зуя эффект-''двойного лучепреломления и оптическую интерференцию,;, можно измерить разность показателен преломления для двух воли, поляризованных во взаимно перпендикулярных направлениях, по разности фаз этих волн.

Для идентификации возможного образования пнвершронаппой поляризации (есгпетоэлсктрического домена) диссертантом была создана установка (рис. I), использующая в качестве источника сфокусированный пучок гелий-неонового лазера J1J 11-120 с плотностью мощности ~ I мВт/см". 11учок расщеплялся па дна пучка, одни из которых проходил через иесис;|уемыИ образец, и фаза его изменялась под действием приложенного к образцу электрического ноля. Второй луч путем отражения и двух зеркалах снова соединялся с первым. Газиоси. фаз измерялась с помощью фотодоектора или наблюдалась визуально по картине интерференционных колец на экране, замещающем фотодетектор. Пучок перемешался вдоль осп Z

пуи:м перемещения кристпллолержателе.

самого образна, закрепленного

Рис. 1. Ьлок-схсма установки для идентификации доменов: 1 - жран пли фотодетсктр; 2 - линза; 3 - компенсатор ]> срек»; 4 - бипризма; 5 - зеркало; 6 - лазер; 7 - образен, помещенный п крнегддлодсржатсль; й - источник регулируемого постоянного

напряжении.

/(алее приведены описание разработанной диссертантом мстолики формирования оптически индуцированных домспон и результаты се применения. Возникновение ссгпстоэлскгричсского домена с поляризацией, инверсной спонтанной поляризации всего образца, было обнаружено с помощью описанного ннтсрфсромстричсского метода после облучения УК-поверхности образца ниобата лития .V-среза пучком лазера ЛТН-709 па второй гармонике (Х=0,53 мкм). Область облучения имела вид узкой полосы, перпендикулярной оси спонтанной поляризации образца. Домен имел вид полосы шириной ~ 100 мкм с |-р;пшмп, перпендикулярными осп поляризации (рис. 2), и был сдвину г па 200 мкм относительно области облучения к положительному полюсу поля спонтанной поляризации.

Диссертантом было обнаружено возникновение домена только при облучении с илотносгыо мощности и импульсе ~ Ю2 Вт/см2 в температурном интервале 130-160"С, относительной концентрации попов Р'с /Тс' " 0,2-0,35 и общей концентрации ионов железа не менее 1015! см*'. Доказательством возникновения локальной инверсной поляризации являются ис только результаты ннтсрфсромстричсского метода, по и се нсстнраемость при облучении интенсивным ультрафиолет овым пучком шш напеве до 500",С.

Рис. 2. Зависимость -шачсння и зпяка приложенного к обращу полуполноного напряжении от положения сканирующего оптического пучка

400, икм

На макроскопическом уроннс образование домена можно снимать с возникновением фотоинпуцированного элегического поля, направленного навстречу ногао поляризации. Известно, что для псрсполяршшши монодоменного образца ннобата лития необходимо злскфнчсскос поле, напряженность которого падает от 10" В/см при комнатной температуре до 10^ В/см при температуре ~ 150"С В го же время напряженность фотопндуцированного элекфического поля, как определил диссертант по изменению показателя преломления, измеренного компенсационным методом, превышала 2.5-10'' В/см. что вполне достаточно для псрсполяризании образна при температурах выше 130°С.

1(а.мнкроскоинческом уровне иозннкповспис доменной струк1уры можно, по-видимому, объяснить на основе анализа вхождения примесных попов железа в решетку ннобата лития. Известно, что ноны Рс3 + и Ре"4 замещают ионы лития, причем вследствие условии зарядовой компенсации эгп ионы смещаются ' вдоль осп 7. по отношению к первоначальным положениям ионов Ы [6]. Более того, ионы Гс2+, относящиеся к пэуппс ян-теллсровских, создают вокруг себя значительные градиенты электрических полей, направленных аитииараплсиьио пошо поляризации моподоменпого образца, которые значительно нрспосходят градиенты электрических полей окружающих ионов. При оптическом облучении фотоипдуппрованные электроны от ионов Рс2+ вследствие фотовольтаичсского эффекта будут дрейфовать из области освещения в сторону положительного полюса поля поляризации и п неосвещенной области будут поглощаться нонами Гс' . Таким образом происходит разделение ранее хаотично расположенных примесных попов. В освещенной области и основном остаются ионы Рс'1+, а в неосвещенной области большинство составляют ионы Ре"+ [2{. Образование градиентов электрических

полей и округ попои Fe2+ должно, казалось бы, ограничиваться пределами первой координационной сферы. Однако и сегнетоэлектрпках и особенно при высокой температуре (150°С) вследствие легкой поляризуемости размеры таких областей будут возрастать, и при достаточной концентрации примесных попов вследствие квазикооператпвного эффекта будуг образовываться макроскопические области электрических полей, обратных полю спонтанной поляризации [7]. Обнаруженное диссертантом смещение домена относительно области облучения как раз свидетельствует в пользу механизма, связанного с изменением валентности примесных ионов железа и образованием электрических полей вокруг ионов Fe2+.

В трет ьей части второй главы приведены результаты исследований процессов и механизмов формирования структуры доменов с периодически инвертированной поляризацией - 180° доменов типа "голова к голове". Сначала описан примененный диссертантом известный способ [Н) формирования такой структуры с помощью приложения к образцу шюбата лития электрического поля при высокой температуре. 1>ыло установлено, что при температуре образца 150"С для его переполяризации необходимо электрическое поле с напряженностью 1,6 1 (У1 В/см, что соответствует данным других исследователей [5].

Чатем описан способ формирования периодической доменной структуры, основанный па одновременном облучении поверхности монокристалла ииобата лития широким оптическим пучком второй гармоники лазера иа ПАГ и распространении вдоль оси поляризации сгоячей поверхностной акустической волны (ПАВ). В 1995 году О.Быстровым и А.Голенищевым-Кугузовым было установлено, что при температуре эксперимента 130-150оС и повышении амплитуды акустической деформации до Ю-4 периодическая структура изменений показателя преломления становится биполярной [9j. .Это позволило высказать предположение о возникновении доменной структуры, хотя вполне обоснованного доказательства тогда найдено не было.

Поэтому диссертант решил повторить этот эксперимент и использовать для более строгой идентификации возможного образования доменной структуры описанный выше иптерферометрпчсский метод. При выполнении следующих условий эксперимента - температурный диапазон 130-160°С и относительная амнишуда деформации не менее М"1 - было обнаружено возникновение регулярной доменной структуры в области оптического

облучения с периодом ~ 100 мкм (рис. 3). Эксперименты выполнялись па образцах ниобата лития, параметры которых приведены выше.

Механизм формирования периодической доменной структуры в какой-то мере сходен с приведенным выше. Однако в данном случае пространственное перемещение фотовозбужденных электронов осуществляется электрическим полем, сопровождающим акустическую волну в пьезоэлектрическом кристалле. Электрическое поле с нулевой частотой и пространственным периодом, определяемым данной акустической волны, будет создавать пространственное перераспределение фотоэлектронов, а, следовательно, и примесных ионов железа 1ге2+ и Ре',+ (акустофоторефрактивный эффект [10]). Поля пространственного заряда этих ионов п будут создавать периодические изменения поляризации вдоль оси 7,.

Рис. 3. Зависимость значения и знака приложенного к образцу полуволнового напряжения от положения сканирующего оптческого пучка

изложены результаты экспериментального изучения влияния оптического излучения на аку стоэ л сктро 11 п ос взаимодействие в сс1 нетоэлектрических кристаллах! Вначале рассмотрены механизмы генерации акустических колебании под действием импульсного пли амплитудио-модулированного лазерного пучка. О безбеден а роль примесных ионов в процессе оптической генерации акустических колебаний. Показано, что генерация акустических воли может происходить под влиянием как термоупругого механизма (в результате локального периодического нагрева, обусловленного поглощением оптического излучения примесными и структурными заряженными дефектами), так и пьезоэлектрического механизма вследствие образования периодических в пространстве и во времени электрических полей, обусловленных фотогенерациен и рекомбинацией

мкм

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ

электронов с примесных центров под действием модулированного оптического облучения [II].

Далее изложены экспериментальные результаты по влиянию лазерного облучения на распространение поверхностных акустических воли в монокристаллах ниобата лития. Взаимодействие акустической волны, сопровождаемой и пьезоэлектрическом кристалле электрическим полем, со свободными электронами, генерируемыми лазерным излучением (акустоэпектрониое взаимодействие), приводит не только к пространственному перераспределению свободных электронов, но и изменяет параметры самой волны. Одним из наиболее существенных проявлений нелинейного акустоэлсктрониого взаимодействия является генерация второй акустической гармоники за счет токовой нелинейности.

Диссертант провел изучение распространения ПАВ в условиях лазерного облучения поверхности кристалла ниобата лития К-среза, содержавшего Ю18 ионов железа с относительной концентрацией Fe—/Fe3+ " 0,2. Облучение A'Z-поверхности образца создавалось широким пучком второй гармоники лазера на нтгрнй-а,шомнниевом фанате в виде коротких импульсов длительностью 10"' с и частотой повторения I кГц. 11АВ возбуждались с помощью встречно-штыревого преобразователя (БШП) накладного типа на частоте 34,1 МГц вдоль оси Z образца. Детектирование ПАВ на основной частоте н второй гармонике осуществлялось с помощью накладных ВШИ с соответствующими резонансными частотами. Перемещением ВШ1Т но поверхности образца вдоль оси Z можно было регулировать расстояние между излучателем и детекторами.

Сначала диссертант изучил генерацию второй гармоники 11АВ, обусловленную главным образом решеточной нелинейностью (т.е. в отсутствие оптического облучения) при различных расстояниях между генератором и детекторами ПАВ (рис. 4). Было установлено оптимальное расстояние, при котором амплитуда второй гармоники максимальна. Далее были исследованы прохождение первой и генерация второй гармоник ПАВ в условиях оптического облучения разной интенсивности при оптимальном расстоянии между генератором ПАВ и детекторами. Было установлено, что при относительно малых интеисивностях оптического пучка и, следовательно, малой проводимости амплитуда второй гармоники увеличивается с ростом концентрации свободных носителей. Одновременно ■ происходило дальнейшее уменьшение амплитуды основной частоты (рис. 5).

и, опт. ед. 10

и. (гш. ед. К!

JL

О

100 200 300, г/к

Рис. 4. Зависимое п, изменении амплитуды основной частоты (1)

и второй гармоники (2) от расстояния между излучателем н приемниками ПАВ

10

Л

хЮ Вт/см2

2

Рис. 5. Зависимость амплитуды второй гармоники от интенсивности оптического пучка

Полученные результаты можно объяснить тем, что амплитуда второй гармоники, как известно, определяется соотношением концентрационной нелинейности, акустического поглощения и дисперсии [12]. При малых значениях проводимости влияние нелинейности сильнее, чем поглощения, и амплитуда второй гармоники увеличивается с ростом концентрации свободных носителей. При увеличении проводимости (т.е. при роете интенсивности облучения) решающим фактором становится акустическое поглощение, которое уменьшает амплитуду второй гармоники.

Затем описаны результаты по генерации акустических колебаний при лазерном облучении периодической доменной структуры, сформированной вблизи поверхности кристалла ниобата лития. В 1988 г. группой китайских ученых [13] была обнаружена генерация акустических воли па доменной структуре в образцах нпобата лития при приложении к мим переменного электрического поля. Но до сих пор нам не были известны какие-либо работы по лазерной генерации акустических волн на доменной структуре.

В средней части пластины ниобата лития, содержавшей ~ I018

см

•3

ионов железа с относительной концентрацией ионов Ре2+/рс3+ ~ 0,2, с помощью электрического способа диссертантом была создана система инвертированных доменов (плоскость Х7,) с шириной каждого ~ 50 мкм. На торцах пластины были нанееспы уголковые широкополосные

преобразователи акустических волн. Для детектирования электрического поля, сопровождающего акустическую волну в ньезоэлектрике, использовались емкостные детекторы, расположенные па Аг2-плоскостп пластины. Электрические сигналы от торцевых преобразователей и емкостных датчиков регистрировались с помощью двухканального осциллографа^ или селективного мнкровольтметра. Оптическое облучение ■ создавалось с помощью однородного оптического пучка, спроецированного в полоску 10x2 мм с помощью цилиндрической линзы. Облучение поверхности осуществлялось последовательностью оптических импульсов с интенсивностью 10^ Вг/см2, длительностью 1,2-10-7 с и частотой следования ~ 30-50 с-'. Коэффициент поглощения поверхности образца п области облучения менялся путем нанесения на нее непроводящей оптически поглощающей краски.

И результате проведенных диссертантом экспериментов (рис. 6) было установлено, что процесс генерации акустических волн определяется не только наличием периодической доменной структуры, но и поглощающей способностью приповерхностного слоя образца. При наличии свстопоглощающеи краски генерация акустических колебаний в основном осуществляется за счет термоупругого механизма, а доменная структура шрает роль распределенного резонатора, подобно периодической структуре из металлических электродов в резонаторах поверхностных акустических волн. Такой же вывод о роли доменной структуры при электрической генерации акустических волн был сделан и китайскими учеными [13].

Рис. 6. Частот ный спектр возбуждаемых акустических волн: 1 - при облучении лазерным пучком поверхности образца со светопоглощающим покрытием вне доменной структуры; 2 - при облучении доменной структуры со светопог лощающим нокрыгнем; 3 - при облучении доменной структуры без поглощающего покрытии

В онгичсски более прозрачных образцах генерация, по мнению диссертанта, происходит посредством модуляции нолей поляризации в доменах полем фотонндуцпрованиых свободных электронов. Периодические п пространстве и во времени скачки изменения поля поляризации создают посредством пьезоэффектл периодические деформации на границах доменов, которые являются источниками упругих колебании. Предположение о преобладающей роли в данном случае пьезоэлектрического, а не термоупругого механизма основано на том факте, что при оптическом облучении поверхности образца без еветопоглощающего покрытия вне доменном структуры генерации акустических волн зафиксировано не было. Диссертантом установлено, что длины генерируемых акустических поверхностных и приповерхностных воли равны или кратны периоду доменной структуры, причем генерация происходит не только на первой, но и на второй гармониках.

основные результаты ii выводы

1. В результате проведения исследований по фотоиндуцированным эффектам в ппобате лития впервые обнаружено возникновение локальной инвертированной поляризации (ссгнетоэлектрического домена) в монокристалле нпобата лития под действием только лазерного облучения. Установлено, что возникновение локальной инвертированной поляризации возможно г$ кристаллах с общей

' концентрацией примесных ионов железа Ш'МО^О см-3 и относительно!! концентрацией ионов Ре2+ ~ 20-40% при их облучении лазерным пучком с длиной волны 0,53 мкм в виде импульсов с длительностью 10"7 с, частотой следования I кГц и плотностью мощности в импульсе 104-105 Вт/см^ в диапазоне температур !Л0-160оС. Показано. что возникновение сешстоэлектричсского инверсного домена связано с фотоиндуцированным разделением примесных попов с переменной валентностью и последующим образованием поля электрических зарядов, инверсного гго знаку и превосходящего по величине попе спонтанной поляризации.

2. Проведено экспериментальное и теоретическое исследование процессов и механизмов формирования периодической доменной структуры в образцах ннобата лития в поле стоячем поверхностной акустической волны в условиях фотогенерации свободных

носителей. Установлено, что возникновение доменной структуры возможно в образцах с общей концентрацией ионов железа не менее (О18 см-3 и относительной концентрацией ионов Г*'е2+ 20-40% при их облучении лазерным пучком с длиной волны 0,53 мкм и плотностью мощности не менее 50 мВт/см2 в диапазоне температур 120-160°С и при относительных акустических деформациях ПАБ не менее Ю-4. Для объяснения возникновения доменной структуры привлечена физическая модель, включающая перераспределение фотовозбужденных носителей пьезоэлектрическим полем и последующим образованием пространственно модулированного поля ионов двух- и трехвалентного железа. Установлено, что периодический градиент поля плотности пространственного заряда и создает-локальное инвертирование спонтанной поляризации.

3. Впервые обнаружена и исследована генерация поверхностных и приповерхностных акустических волн при облучении периодической доменной структуры, сформированной в образце пнобата лития (общая концентрация ионов железа 1018 см-3 при относительной концентрации ионов Ке2+" - 20%), импульсным лазерным пучком (длина волны 0,53 мкм, длительность 1,2-Ю*7 с, частота следования 30-50 Гц, плотность мощности в импульсе 104 Вт/см2). Предположено, что при коэффициенте поглощения поверхности образца - 10 см-' возбуждение акустических воли происходит за счет термоупругого механизма, при меньших коэффициентах поглощения генерация осуществляется, главным образом, посредством электронного механизма. Показано, что при электронном механизме генерация осуществляется посредством периодической модуляции электрических полей в доменах электрическими полями фотовозбуждеппых электронов. Установлено, что генерация акустических воли наиболее эффективна на длинах волн, кратных периоду доменной структуры.

4. Исследовано влияние изменения концентрации фотовозбужденных электронов на распространение акустических воли в няобате лития. Впервые обнаружено, что увеличение концентрации фотоэлектронов приводит- к возрастанию токовой (концентрационной ) нелинейности, что проявляется в возрастании амплитуды второй акустической гармоники. Полученные результаты находятся в согласии с моделью нелинейных акустических процессов, обусловленных токовой нелинейностью.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНО D СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Голспищев-Кутузов A.B., Калнмуллин Р.И. Инверсные домены в iHioGrifb лвгпя И Письма в ЖТФ. - Т. 23. - N 22. - С. 34-38.

2. Голешнцеи-Куп'зов A.B., Ефимов Е.А., Кагшмушшн Р.И, Голеишцен-К}пузов В.А. Взаимодействие лазерного излучения с системой оптически индуцированных доменов // Proceedings Society оГ Pliotooptical Instrumentation Engineers. - 1997. -V. 3239. - P, 246-248 (на англ.).

3. Гоиенищев-Кутузов A.B., Калнмуллин Р.И. Фотонипуцкропаиные домены в шюбате лития // ФТТ: - 19У8. - Т. 40. - N 3. - С. 531-533.

4. Баталова Н.Л., Голешш|св-К}зулов A.B., Калимуллнп Р.И. Возникновение доменной стрз'ктуры в ннобате лития иод действием лазерного излучения // Известия РАН (сер. фнч.). - Т. 62. - N 2. - С. 384386.

5. Голешииеп-Куп'пов В.А., Калнмуллин Р.И., Голснишсв-Кугузов A.B. Генерация акустических гармоник на структуре инверсных домою» п LiNbOj // 1998 International Symposium он Aeoustoelectroitics, Frequeney Control and Signal Generation: Abstract. - S't. Petersburg - Kizlii - Valaam -St. Petersburg. - 1998. - P. 14 (на англ.).

6. Голеншнев-Кутузов A.B., Калнмуллин Р.И. Фотонндунпрованпые домены в ииобате лития // Республиканская научно-техническая конференция "Проблемы энергетики": Тез. докл. - Казань. - 1998. - С. 24.

7. Калимушпш Р.Н., Батанова HJI. Возникновение инвертированной доменной структуры в шюбате лития под действием лазерного излучения /У Асиираитско-мапилрский семинар КФ МЭИ: Та), докл. -Казань. - 1998. - С. 14.

8. Калнмуллин Р.И. Взаимодействие лазерного излучения с системой инверсных доменов в ииобате лития // Аспирантско-магнстрский семинар КФ МЭИ: Теп. докл. - Казань. - 1998. - С. 10.

СПИСОК ЦИТИРУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Владимирке» Ю.В., Гопеннщеп-Кугузов A.B., Голенишев-Куп'.юв U.A. Акустооитическос взаимодействие в фоторсфрактивных чредах и его приложения (обзор) // Акуст. жури. - 1995. - Т. 41. - N 3. - С. 357363.

2. Günter Р., Huignard J, Pliotorefractive Materials and Tlieir Applications. [, И H Heidelberg. Springer, 1988. - 363 p.

3. Zlm Y., Ming N. Electro-optic effect and transmission spectrum in a Fibonacci optical superlattice // J. Phys. Cond. Matter. - 1992. - V. 4. - P. 8073-8082. •

4. Chen Q., Standi D. Identification and quantitative characterisation of antiparallel domains using an interferometric method !l Appl. Optics. -1994. -v! 33. - N 31. - P. 7496-7500.

5. KLovalevieh V.I., Shuvalov L.A., Volk T.R. Polarization reversal and photorefractive effect in LiNb03 !! Phys. Stat. Sol. - 1978. - V. Л45. - P. 249-252.

6. Ахмадуллин И.Ш., Голенищев-Кутузов В.А.., Миронов С.П. и др. Термо- и фотошщуцпроваиные процессы в ниобате лития // ФТТ. -1990. - Т. 32. - N 6. - С. 1854-1859.

7. llafiil L., Michel-Calcndini F., Cliermett H. et al. On photorefractive meclumismes in LiNb03*.Fe ctvs tails // Ciyst. Latt. Dei', and Amorph. Mat. - 1987. - N 1 -4. - P. 97-102.

8. Zlni Shi, Zhu Yon«, Zhang Z. et al. L.iTaC)3 crystal periodically poled by applying an external pulsed field //J. Appl. Pliys. - 1995. -V. 77. -N 10. - P. 5481-5483.

9. Быстров O.B., Голенищев-Кутузов А.В. Акустически индуцированная доменная структура в ниобате лития // Письма в ЖЭТФ. -1995. - Т. 61. -Вып. 2.-С. 128-130.

10. Berg N ..Т., Udelson B.J., Lee J.N. A new aeoustophotorelractive effect in lithium niobate // Appl. Phys. Lett. - 1977. - V. 31. - N 9. - P. 555-557.

11. Голеншцев-Ку1узов B.A., Самарцеп B.B., Хабибуллни B.M. Импульсная оптическая и акустическая когерентная спектроскопия. -М.: Наука, 1988. - 224 с.

12. Можаев В.Г., Холодов ИЛО. О генерации второй гармоники акустических волн в ньезополуироводшшах Н Вести. Моск. ун-та. -Физ. Астр. - 1980. - Т. 24. - N 4. - С. 46-53.

13. Zhu Y., Ming N. High-frequency resonance in acoustic superlattice of LiNbQ3 crystals И Appl. Phys. Lett. - 1988. - V. 53. - N 23. - P. 2278-2280.

Подписано к печати Нем. л. 1.0

П.11.98 Тираж 100 о кз.

Заказ 2>\Ji

Типография КФ МЭИ (ТУ) г. Казань, Красносельская, 51