Линейная и нелинейная дифракционные решетки в кристаллах ниобата лития с периодической доменной структурой тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.18 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М.В. ЛОМОНОСОВА

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

на правах рукописи УДК 548.5; 535.36; 621.373

Глико Ольга Александровна

ЛИНЕЙНАЯ И НЕЛИНЕЙНАЯ ДИФРАКЦИОННЫЕ РЕШЕТКИ В КРИСТАЛЛАХ НИОБАТА ЛИТИЯС ПЕРИОДИЧЕСКОЙ ДОМЕННОЙ

СТРУКТУРОЙ

Специальность 01.04.18 —кристаллофизика и кристаллография

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

МОСКВА—1998

Работа выполнена на кафедре физики полимеров и кристаллов физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.

Научные руководители: — доктор теышческих_наук Л. Н. РАШКОВИЧ

кандидат геолого-минералогических наук И. И. НАУМОВА

Официальные оппоненты:— доктор физико-математических наук Н. Д. КУНДИКОВА доктор физико-математических наук А. С. ЧИРКИН

Ведущее предприятие — Московский Государственный институт стали и сплавов СГехнологический Университет), г. Москва.

Защита состоится " " 'КХьЛ_ 1998 г. в час. на заседании

Диссертационного Совета Отделения физики твердого тела К 053.05.19 по адресу: 119899, ГСП, г. Москва, Воробьевы Горы, МГУ, физический факультет, ауд. 5- № С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета

МГУ.

Автореферат разослан "_

¡2/1 у

\

Ученый секретарь

диссертационного совета К 053.05.19 ОФФТ

кандидат физико-математических наук д]/^ И.А. Никанорова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Возможность осуществления квазисинхронных преобразований лазерного излучения, расширяющих область возможного применения нелинейных материалов, притягивает большое внимание к кристаллам с периодической доменной структурой. Особое практическое значение имеют удвоение частоты и параметрическая генерация света в видимом и инфракрасном диапазоне.

В одноосных сегнетоэлектриках, каковым является ниобат лития, за счет создания периодической системы антипараллельных доменов осуществляется периодическая модуляция различных физических характеристик, например, электрооптических, нелинейно-оптических коэффициентов, и т. д. Такие кристаллы представляют собой для света совокупность линейной и нелинейной объемных фазовых решеток. Линейная фазовая решетка представляет собой возмущения показателей преломления, а под нелинейной подразумевается модуляция нелинейной восприимчивости.

Особенностями этих фазовых решеток являются существенно негармонический профиль и возможное непостоянство периода. Предъявляемые требования к таким объемным фазовым решеткам стимулирует их изучение и поиск новых возможностей их формирования.

Цель настоящей работы состояла в установлении механизма образования периодической доменной структуры в процессе роста легированных кристаллов ниобата лития и исследование оптических свойств возникающих линейной и нелинейной дифракционных решеток.

Для достижения этой цели были поставлены следующие основные задачи:

- вырастить кристаллы ниобата лития с периодической доменной структурой;

- провести экспериментальный анализ модуляции состава кристалла и ее особенностей, связанных с использованием различных примесей и различных направлений выращивания;

- исследовать профили линейной и нелинейной дифракционных решеток;

- исследовать квазисинхронную генерацию второй гармоники в кристаллах 1лЫЬОз:М:1У^ с периодической структурой "гранного" типа.

Научная новизна полученных в диссертации результатов состоит в следующем:

1. Показано, что использование двойного легирования кристаллов ниобата лития и направления выращивания вдоль нормали к грани (0112) позволяет формировать периодическую доменную структуру "гранного" типа с периодом 4 - 30 мкм, плоскими границами и эффективной длиной взаимодействия ~ 1 мм.

2. Показано, что различие тангенциального и нормального механизмов роста кристаллов из расплава ведет к существенному различию характера модуляции концентрации примеси.

3. Благодаря совмещению изображения доменов с распределением концентрации примеси, показано, что положительно заряженные границы возникают около минимумов концентрации, а отрицательно заряженные - около максимумов концентрации.

4. На основе измерения интенсивностей брэгговской дифракции света синтезирован профиль линейной дифракционной решетки, образованный возмущениями показателя преломления вблизи заряженных доменных стенок. Определен профиль нелинейной решетки, образованный пространственной модуляцией нелинейной оптической восприимчивости.

5. Эффективная генерация синего света достигнута в процессе квазисинхронного 1-го порядка удвоения частоты в кристаллах ЦЫЬОз:Ы(!:М§ с периодической доменной структурой "граиного" типа.

Практическая значимость работы. Установление механизма образования периодической доменной структуры в процессе выращивания кристаллов ниобата лития позволит в дальнейшем улучшить ее основные параметры. Достигнутое качество периодической доменной структуры позволяет изготовлять на ее основе устройства, служащие для эффективной генерации излучения видимого диапазона. На защиту выносятся следующие основные положения:

- положительно заряженные (конфигурации "голова к голове") и отрицательно заряженные (конфигурации "хвост к хвосту") доменные стенки образуются вблизи минимумов и максимумов концентрации примеси, соответственно;

- для периодической доменной структуры "гранного" типа кристаллах ЬМЬОз.'У профиль нелинейной решетки является тралециидальным, близким к прямоугольному;

- профиль линейной решетки содержит два пика показателя преломления (шириной 0.2 и 0.5 мкм) на один период, соответствующие положительно и отрицательно заряженным стенкам.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсувдались на XV Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Санкт-Петербург, 1995 г.), на VII Европейской конференции по сегнетоэлектричеству (Неймеген, 1995 г.), на IV Международной конференции по сегнетоэлектрическим доменам (Вена, 1996 г.), на Всероссийской конференции "Химия твердого тела. Новые материалы" (Екатеринбург, 1996 г.), на международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам /секция физики/ "JIOMOHOCOB-96", на российско-японском совместном семинаре "Физика и моделирование информационных материалов и их применения" (Москва, 1996 г.), на XVII Европейском кристаллографическом конгрессе (Лиссабон, 1997 г.) и на IX Международной конференции по сегнетоэлектричеству (Сеул, 1997 г.).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитированной литературы. Объем диссертации составляет 105 страниц текста, включая 25 рисунков, 2 таблицы и список литературы из 94 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается'актуальность темы, сформулирована цель работы и основные положения, выносимые на защиту, показаны новые научные результаты и практическая значимость работы.

Первая глава представляет собой обзор литературы, посвященный методам создания и изучения периодической доменной структуры, а также ее применению для управления параметрами лазерного излучения.

В первом параграфе рассматриваются возможности использования кристалла ннобата лития для преобразований лазерного излучения. Главными проблемами на пути генерации видимого излучения стали оптическое повреждение и малая величина двулучепреломления, приводящая к ограничению диапазона минимальной длиной волны 1 мкм. 100%-модуляция нелинейной оптической восприимчивости за счет создания периодически поляризованных кристаллов с периодом равным когерентной длине взаимодействия позволяет осуществлять квазисинхронные преобразования частоты. Главными преимуществами квазисинхронизма являются возможность достижения некритического синхронизма для любого взаимодействия в области прозрачности ниобата лития 0.35 - 4 мкм, а также использования наибольшего нелинейного оптического коэффициента d}1.

Во втором параграфе рассматриваются известные методы создания периодической доменной структуры в кристаллах ниобата лития. Методы, использующие диффузию с поверхности и протонный обмен через нанесенную литографским способом периодическую маску позволяют формировать поверхностные структуры (толщиной около микрометра), которые успешно применяются для создания волноводных устройств. Для получения объемных устройств наилучшие результаты были достигнуты с помощью метода формирования периодической доменной структуры непосредственно в процессе выращивания кристаллов и с помощью переполяризации под действием приложенного к пластинам электрического поля. Ростовой метод позволяет получить структуры, имеющими объем порядка кубического сантиметра. Однако, нестабильность периода ограничивает эффективную длину устройства 1 - 2 мм. Приложением электрического поля удается достичь эффективной длины порядка сантиметра, однако толщина структуры ограничена величиной 0.2 - 0.5 мм.

Третий параграф посвящен обзору литературных данных по механизмам формирования периодической доменной структуры в кристаллах ниобата лития, включающим действие электрического поля, градиента состава и градиента температуры. Отдельно рассматривается механизм образования ростовых полос в рамках модели диффузионного пограничного слоя.

В четвертом параграфе представлены обсуждаются результаты исследования ростовой периодической доменной структуры. Рассмотрены известные методы визуализации антипараллельных сегнетоэлектрических доменов. Исследование линейной дифракционной решетки, образованной вариациями показателей преломления, методом дифракции света позволяет получить информацию о профиле решетки, строении заряженных доменных стенок и об экранировке заряда, находящегося на них.

Пятый параграф посвящен экспериментальному исследованию квазисинхронных преобразований частоты лазерного излучения в периодически поляризованных кристаллах. Использование кристаллов с периодом доменной структуры 1.7 - 6.8 мкм позволяет осуществлять эффективную генерацию второй гармонике в видимом диапазоне. В кристаллах с периодом 26 - 30 мкм осуществлена параметрическая генерация инфракрасного излучения, перестраиваемого за счет температурной настройки. Указаны перспективы и примеры применения периодически поляризованных кристаллов для самоудвоения частоты и каскадных процессов.

Вторая глава посвящена выращиванию кристаллов ннобата лития с периодической доменной структурой и экспериментальному изучению ее особенностей и связи с модуляцией состава кристалла.

В первом параграфе приводится методика выращивания кристаллов ниобата лития из расплава методом Чохральского. Использовалась кристаллизационная установка "Кристалл-2" с автоматическим контролем диаметра кристалла. Кристаллы выращивались в герметической водоохлаждаемой камере, платиновый тигель изолировался термостойкой керамикой.

Кристаллы ннобата лития выращивались из расплава с составом близкого к конгруэнтному ([1л]/[МЬ] = 0.942), для легирования использовались окислы иттрия, скандия, диспрозия, неодима и европия (0.8 - 1 мол% в расплаве) и магния (2-5 мол%). Использовались различные направления выращивания - X, У, Ъ и вдоль нормали к грани (011 2). Путем несимметричной теплоизоляции тигля с расплавом создавалась асимметрия теплового поля в зоне роста, что приводило к периодическим колебаниям скорости роста с периодом вращения кристалла. Вследствие зависимости эффективного коэффициента вхождения примеси #1) от скорости роста, это приводит к неоднородному распределению

концентрации примеси вдоль направления выращивания кристалла вращательным полосам роста. Эти вращательные полосы являются источником периодической слоистой доменной структуры, период которой определяется отношением скоростей вытягивания и вращения. Изменяя скорости вращения и вытягивания, удалось получить доменную структуру с периодом 4-30 мкм.

В кристаллах, выращенных в направлении осей X, У и 21, границы доменов искривлены, повторяя форму фронта роста. Выращивание в направлении нормали к грани (0112) позволило в центральной части кристалла, выросшей гранью, получить структуру с плоскими доменными границами, параллельными этой грани. Наряду с плоскими и тонкими границами такая структура "гранного" типа характеризуется высокой степенью периодичности и отсутствием дефектов типа микродоменов и небольших монодоменных участков.

Получение широкоапертурных решеток связано с проблемой поддержания плоского фронта кристаллизации. Установка дополнительных экранов позволила уменьшить осевой градиент температуры, подавить конвекцию в расплаве и добиться увеличения диаметра грани до 15 мм. Чтобы избежать уменьшения контрастности ростовых полос во время отжита, были проведены эксперименты по нахождению его оптимальных условий, которые включают в себя быстрый

отрыв кристалла, втягивание его в экран и последующее охлаждение. Использование различных примесей показало, что модуляция концентрации У, Бу, N<3 и Ей при достаточно больших концентрациях 0.6 - 0.8 мол% способствует формированию периодической доменной структуры. Введение Бс не приводило :: образованию стабильной доменной структуры.

Во втором параграфе приведены данные по визуализации периодических доменов и структуры доменных границ, а также исследованию модуляции концентрации примеси вдоль направления выращивания. Доменная структура выявлялась методом химического травления. Последующее наблюдение в металлографический микроскоп позволило оценить однородность периодической структуры и выявить нарушающие ее дефекты. Была найдена сильная зависимость доменной структуры от направления выращивания, вводимой примеси, времени отжига. Наиболее характерным нарушением является наличие монодоменных областей, преимущественно в верхней части кристаллов, дефекты в виде нарушающих периодическую структуру штрихов - бидоменов, неравная толщина доменов противоположного знака. Только для "гранной" сгруктуры удастся устранить кривизну доменных границ, при этом наблюдаются зигзагообразные искажения границ субмикроиного масштаба. Для их характеризуй ; поверхности травленых q:>eзoв наблюдались в электронный микроскоп и микроскоп атомных сил. Найдено, что искажения характерны только дня отрицательно заряженных доменных границ, в то время как положительно заряженные являются практически плоскими.

С целью нахождения соответствия между доменной структурой и модуляцией коицешрации примеси, распределение примеси вдоль направления выращивания измерялось методом рентгеновского микроанализа в сканирующем электронном микроскопе .¡8М-8чО. Измерения концентрации примеси производилось с помощью анализатора СашеЬах 8Х-50 с шагом 0.7 - 3 мкм, относительная погрешность измерения составляла 1 - 2%. Исследовалось изменение концентрации ионов N(3, Ей н в кристаллах различных направлений и с различными периодами доменкой структуры. Была обнаружена периодическая модуляция примесей вдоль направления выращивания, перпендикулярно доменным границам с периодом равным периоду доменной структуры. Для кристаллов, выращенных вдоль оси X, характерно периодическое распределение концентрации с более широкими максимумами и более узкими минимумами для примесей N(1 и Ей, при этом модуляция М£ гораздо слабее и имеет тенденцию быть в противофазе. Существенно иная форма модуляции с равной шириной

максимумов и минимумов обнаружена для центральной части кристаллов, выращенных в направлении нормали к грани (0112). Были определены эффективные коэффициенты вхождения примесей ^(Mg^l.l, *,M(Nd, Eu) -0.5

для кристаллов с двойным легированием. Значения для Nd и Eu различаются для "граниой" и "неграннон" частей кристалла, а также зависят от содержания Mg.

Чтобы выяснить однозначное соответствие между распределением примеси и положением доменных грзннц, нам удалось совместить изображение доменов с распределением концентрации примеси перпендикулярно доменным границам (рис.1). Определено, что доменные границы локализованы в экстремумах концентрации Nd, а именно, положительно заряженные границы (конфигурации "голова к голове") - около минимумов, а отрицательно заряженные ("хвост к хвосту") - вблизи максимумов.

В третьей главе полученные данные о распределении концентрации примеси обсуждаются в рамках модели пограничного слоя при использовании стационарного приближения. Рассматривается механизм образования периодической доменной структуры в кристаллах с модуляцией состава.

Причиной образования вращательных полос роста в процессе выращивания монокристаллов из расплава методом Чохральского являются периодические флуктуации температуры на фронте кристаллизации, вызванные вращением кристалла в асимметричном тепловом поле. Для большинства кристаллов, в том числе и ниобзта лития, определяющую роль в явлении кристаллизации играют процессы переноса, происходящие в узкой области расплава, прилегающей к кристаллу, пограничном слое. Такой подход является справедливым, если осуществляется нормальный механизм роста. В случае присутствия на границе кристалл-расплав грани, рост которой осуществляется послойно, наряду с процессами переноса определяющую роль играет кинетика кристаллизации.

Для объяснения механизма образования вращательных полос роста применяется модель пограничного слоя, согласно которой эффективный коэффициент распределения примеси зависит от скорости роста кристалла,

равно как и от других параметров:

ь --*»--СП

,фф *0+(1-*0)ехр(-у5,/А.)' w

где St - толщина пограничного слоя, v- скорость роста, DL- коэффициент

диффузии примеси в расплаве и к0- коэффициент распределения примеси при

v = 0.

Строгое решение задачи о распределении примеси в кристалле под влиянием периодических флуктуации скорости роста является трудным даже с применением численных методов. Поэтому для объяснения экспериментальных данных было предложено использовать стационарное приближение, в котором предполагается независимость толщины пограничного слоя от флуктуации скорости роста. Дифференцируя зависимость к^ (v) (1), получаем выражение для относительных флуктуации концентрации примеси в расплаве у фронта роста, которое в случае выполнения условия vS¡ IDh<< 1, справедливого при выращивании кристаллов окислов, имеет вид:

^ = (2)

где Со - среднее значение концентрации в расплаве у фронта роста.

Если предположить, что колебания температуры на фронте роста являются синусоидальными, то флуктуации мгновенной скорости роста можно записать в виде: v(f) = v0 + Av eos ot. Соответственно выражение (2) приобретет вид:

= (l-*,,)Avcos<*. (3)

Таким образом, дня приблизительно синусоидальных колебаний мгновенной скорости роста колебания концентрации на фронте роста имеют тот же характер. Вертикальное перемещение любой точки на фронте роста описывается уравнением: z(í) = v0 + (Д г / со) sin со ¿ , из которого следует что за полупериод с повышенной скоростью роста закристаллизуется большая доля кристалла, чем за период с пониженной скоростью роста. Поэтому зависимость концентрации примеси от длины кристалла отличается от синусоидальной, а имеет максимумы и минимумы разной ширины.

Хорошее согласие полученных экспериментально зависимостей концентрации примесей от длины кристалла с зависимостями, полученными выше, свидетельствует о справедливости принятых упрощений и применимости модели, основанной на стационарном приближении, для описания механизма образования вращательных полос роста.

Согласно выражению (3), концентрация примеси с меньшим единицы кзМ

(Nd, Eu) и большим единицы (Mg) будет изменяться в противофазе. Более слабую модуляцию Mg можно объяснить близким

к единице значением . Форма

модуляции указывает на то, что образование полос происходит в отсутствии оплавления. Кроме того наблюдалось увеличение амплитуды колебаний состава

по мере удаления от оси вращения кристалла, что объясняется увеличением амплитуды колебаний температуры от центра к периферийной части фронта роста.

Для области кристалла, выросшей гранью, характерной особенностью является симметричность зависимости концентрации примеси от длины кристалла, которая имеет максимумы и минимумы равной ширины. Грань растет путем последовательного отложения слоев движущимися ступенями, скорость которых увеличивается с переохлаждением. При этом нормальная скорость 1рани как целого постоянна, кзависит от скорости движения ступеней и, следовательно,

модулирован в результате колебаний температуры. Ввиду этого ширина максимумов и минимумов одинакова. Различие механизмов роста также приводит к различию величин ки, следовательно, средней концентрации примеси.

Второй параграф посвящен обсуждению механизма образования периодической доменной структуры при охлаждении кристалла до температуры Кюри. Рассматриваемая модель предполагает существование встроенного электрического поля, возникающего вследствие неоднородного распределения концентрации примеси, а также наличия градиента температуры во время роста и охлаждения кристалла.

Периодическая модуляция концентрации примеси приводит к процессу амбиполярной диффузии, вовлекающему движение примесных ионов и компенсирующих дефектов. При этом развивается электрическое поле, которое уравнивает различные подвижности, присущие двум типам дефектов:

„ ч кТс!С(х)1(Ьс

= -од- (4)

где 1 = 16x10*" С. В результате действия этого поля образуется доменная структура с положительно заряженн; чи доменными стенками, расположенными в минимумах концентрации и отрицательно заряженными стенками в максимумах. Оценка амплитудуы проекции электрического поля на полярную ось дает величину 15-30 В/см.

Образование монодоменных областей и областей с неравной толщиной доменов противоположного знака, объясняется действием градиента температуры. Предполагая термоэлектрическую природу этого эффекта, мы объяснили возникновение электрического поля, направленного противоположно градиенту температуры, процессом массопереноса, вовлекающим движение литиевых вакансий. Во время охлаждения кристалла из пара- в

сегнетоэлектрическую фазу направление вектора спонтанной поляризации в любой точке кристалла определяется направлением проекции внутреннего электрического поля на полярную ось. Это полное внутреннее поле есть сумма периодического поля неоднородного распределения примеси и термоэлектрического поля, результат конкуренции которых определяет возникновение периодически поляризованного или монодомениого кристалла.

После прохождения температуры фазового перехода границы возникающих доменов определяются формой слоев роста. Связанный заряд доменных стенок увеличивается с уменьшением температуры. До тех пор пока деполяризующее поле связанных зарядов меньше внутреннего поляризующего поля, последнее определяет форму доменных стенок, которые являются плоскими. При понижении температуры деполяризующие поля экранируются перераспределяющимися заряженными дефектами. Обнаруженное различие формы положительно и отрицательно заряженных доменных стенок объясняется различием точечных дефектов, участвующих в процессе экранирования связанного заряда.

Четвертая глава посвящена исследованию свойств линейной и нелинейной дифракционных решеток в кристаллах ниобата лития с периодической доменной структурой "гр энного" типа.

Исследовались кристаллы LiNbOj:Y:Mg с периодической доменной структурой "гранного" типа с плоскими границами доменов, нормаль к которым была ориентирована в плоскости YZ под углом 57° к оси Z. Линейная дифракционная решетка исследовалась с помощью He-Ne лазера на длине волны 0.6328 мкм. Толщина образца составляла 7 мм, период доменной структуры 6.1 мкм, поляризация света соответствовала необыкновенной волне. В режиме Брэгга наблюдались дифракционные максимумы под углами, соответствующими условию Брэгга: sin q>m = Xrttl «Л, где т • порядок дифракции. Результаты измерений дифракционных эффективностей для 15 порядков приведены в табл. 1. Под амплитудами решетки подразумеваются амплитуды изменения необыкновенного показателя преломления Лпт.

Таблица!.

Порядок дифракции

Эффективность

Амплитуда решетки (10-5)

1

2

3

4

0.081 0.980 0.110 0.772

0.831 4.107 0.971 3.074

5 0.032 0.513

6 0.675 2.747

7 0.106 0.942

8 0.311 1.672

9 0.059 0.691

10 0.108 0.938

И 0.048 0.614

12 0.051 0.628

13 0.068 0.722

14 0.056 0.646

15 0.062 0.676

Амплитуды Апт - это фурье-компоненты объемной фазовой решетки Ал,(г'), где г' - координата, измеряемая в направлении нормали к слоям решетки. Чтобы синтезировать профиль решетки из 15 фуръе-компонент Апт (рис. 2(а)), было сделано следующее предположение: результирующая решетка Ап^г')симметрична относительно середины границы, разделяющей домены, т.е. разложение Фурье функции Ал,(г') представляет собой косинусный ряд:

Ал, (г1) =£Дл„сов(т&'),

где К = 2тг / Л; Л - период решетки.

На рис. 2(а) видны два пика показателя преломления в пределах одного периода, причем один пик заметно острее другого. Оценка ширины пиков на полувысоте дает 0.2 и 0.5 мкм. Мы считаем, что пики соответствуют заряженным доменным стенкам, выявленным травлением У-среза кристалла. Широкий пик соответствует отрицательно заряженным границам (конфигурация "хвост к хвосту"), а острый пик - положительно заряженным (конфигурация "голова к голове").

Нелинейная решетка, т.е. пространственная модуляция квадратичной нелинейности хт, может быть просто определена путем усреднения вклада доменов. В результате профиль нелинейной решетки будет скорее трапециидальным, чем прямоугольным (рис.2(б)). Вместе с учетом разной толщины противоположно ориентированных доменов это усреднение дает возможность рассчитать гармоники нелинейной решетки и, следовательно, эффективность преобразования частоты в высших порядках нелинейной дифракции.

Хорошее соответствие линейной решетки форме доменных границ, показанное на рис. 2(6), обусловлено, по нашему мнению, следующими причинами, Возмущения показателя преломления, образующие линейную дифракционную решетку Ant(z'), соответствуют эффективной ширине границ доменов, в то время как структурная толщина стенок близка к нулю. Аномалия показателя преломления локализована в чрезвычайно узкой области около доменной стенки и имеет одинаковый знак для стенок с конфигурациями "голова к голове" и "хвост к хвосту".

Наблюдаемые аномалии показателя преломления, т.е. решетка ДлДг')на рис.2(а), - это результат усреднения локальных аномалий в плоскости, перпендикулярной z'. Исходные (локальные) аномалии показателей преломления имеют, по-видимому, фундаментальную связь со строением доменных стенок. Особенностью доменных стенок в данном материале является большой связанный заряд, образованный скачком спонтанной поляризации ( положительный на стенке конфигурации " голова к голове" и отрицательный на стенке конфигурации "хвост к хвосту"), так что аномалии могут порождаться экранировкой этого заряда.

В пятой главе изучались нелинейно-оптические свойства периодической доменной структуры в кристаллах LiNb03:Nd:Mg. Была реализована квазисинхронная генерация второй гармоники (ГВГ) в кристалле, выращенного вдоль нормали к грани (011 2). Периодическая структура имела плоские границы, нормаль к которым лежит в плоскости YZ и составляет угол 57° с осью Z. Лучший участок образца длиной 2 мм имел период около 4.8 мкм.

Чтобы задействовать наибольший ¿зз коэффициент, поляризация основного луча выбиралась в плоскости YZ. Фазовый синхронизм осуществлялся путем настройки длины волны при комнатной температуре и нормальном падении основного излучения на доменные стенки. В этой геометрии основной луч и луч второй гармоники имеют малый снос. В качестве источника основного излучения использовался импульсный лазер на красителе (продолжительность импульса 7 не, частота 10 Гц), который накачивался лучом удвоенной частоты (532 нм) AUHNd лазера. Луч лазера на красителе фокусировался в периодически поляризованный образец, и радиус пятна был около 100 мкм (для 1/е2 интенсивности пика). Длина волны падающего на образец излучения настраивалась от 943 до 970 нм для нахождения условия квазисинхронизма.

Относительная интенсивность ГВГ как функция длины основной волны, изменяемой в пределах 943 - 970 нм, показана на рис. 3(а). Эти данные были

получены при малой энергии импульса основной волны (предел малого уменьшения ее амплитуды). Длина волны, соответствующая квазнсинхроннзму 1-го порядка была найдена равной 956 ни, что хорошо соответствует средней длине домена 2.4 мкм, оцененной с помощью брэгговской дифракции света. Зависимость интенсивности второй гармоники от длины основной волны, показанная на рис. 3(6), несимметрична относительно длины волны квазисинхронизма. Первой причиной этого является асимметричная природа, свойственная квазисинхронизму. Вторая, и более существенная причина заключается в нерегулярности толщины доменов. Чтобы продемонстрировать это, мы вычислили интенсивность ГВГ для случая, когда несколько доменов имеют отличную толщину. Пунктирная кривая на рис. 3(а) была получена в предположении 200 доменов, толщина пяти из которых на 10% больше остальных. Хотя это недостаточно хорошее приближение, т. к. нерегулярность доменов имеет более сложный характер, оно показывает эффект изменения толщины доменов. Нерегулярность периода доменной структуры наблюдалась также в эксперименте по дифракции света. Измеряя угол дифракции 1-го порядка, мы оценили максимальное отклонение периода 0.2 мкм по длине образца. Эффективная длина взаимодействия около 0.7 мм оценена по ширине кривой настройки длины волны (рис. 3(а)). Для длины падающей волны, соответствующей квазисинхронизму, (956 нм) была измерена зависимость энергии импульса второй гармоники от входной энергии основной волны (рис. 3(6)). Максимальная интенсивность основной волны в образце оценена как 160 МВт/см;, что как раз соответствует порогу оптического повреждения. Соответствующий максимум эффективности преобразования энергии равен 23.3%.

В заключении приведены основные результаты диссертации:

1. Показано, что выращивание методом Чохральского кристаллов ниобата лития, легированных У, 1)у, N(1, Ей в направлении нормали к грани (01 12) позволяет получать объемную периодическую структуру "гранного" типа, имеющую плоские доменные границы, с периодом от 4 до 30 мкм, нестабильность которого 1% на длине 1 - 2 мм. Введение в качестве второй примеси способствует устранению дефектов, нарушающих однородность периодической структуры.

2. Установлено соответствие между периодом модуляции концентрации примеси (N(1, Ей) и периодом доменной структуры. Показано, что отрицательно и положительно заряженные границы доменов возникают в максимумах и минимумах концентрации, соответственно.

3. Показано, что использование стационарного приближения для расчета относительных флуктуации концентрации примеси в кристалле качественно согласуется с полученными экспериментальными зависимостями. Образование полос происходит в отсутствии оплавления, амплитуда флутуаций концентрации примеси найдена независящей от скоростей вытягивания и вращения. Отличие формы модуляции концентрации и значения эффективного коэффициента распределения примесей для участков кристалла, выросших гранью, обусловлены особенностями, присущими тангенциальному механизму роста.

5. Установлено, что образование периодической структуры сегнетоэлектрических доменов в процессе фазового перехода определяется действием встроенного электрического поля, возникновение которого вызвано происходящим вследствие неоднородности состава процессом амбиполярной диффузии ионов примеси и компенсирующих дефектов, а также наличием градиента температуры в процессе роста и охлаждения кристалла.

6. Показано, что величина периодического электрического поля определяется отношением градиента концентрации к среднему значению концентрации примеси, т. е. амплитудой флуктуации концентрации примеси. Основными требованиями к легирующей примеси являются значительное отличие эффективного коэффициента распределения от единицы, и достаточно малый коэффициент диффузии в кристалле (Р < 10 м см2/сек. С другой стороны достаточно большой амплитуды флуктуации можно достичь за счет увеличения флуктуаций температуры на фронте роста.

7. На основе измерения эффективностей 15 дифракционных максимумов синтезирован профиль линейной дифракционной решетки, который содержит два пика показателя преломления (шириной 0.2 и 0.5 мкм), соответствующих положительно и отрицательно заряженным доменным границам. Возмущения показателя преломления локализованы в чрезвычайно узкой области около доменной стенки и порождаются экранировкой связанного заряда.

8. Установлено, что профиль нелинейной решетки является трапециидальным, близким к прямоугольному. Расчет гармоник нелинейной решетки показывает, что искажения доменных границ, равно как и слегка неравные толщины доменов разного знака, не оказывают большого влияния на квазисинхронные процессы первого порядка. Влияние же этих факторов на процессы высших порядков различно.

9. Измерены спектральные характеристики квазисинхронной ГВГ в кристаллах ХЛ^ЬОз^с!:!^ со структурой "гранного" типа. Для структуры с периодом 4.8 мкм

в коллинезрнон геометрии квазнсинхронизм первого порядка допишут путем иасфойки длнны волны накачки при 956 им. Эффект нерегулярности периода численно оценен для объяснения асимметрии кривой спектральной настройки. Эффективность преобразования составила 23.3% при плотности пякзчки 160 МВт/смг. С помощью полученного значения спектральной ширины синхронизма оценена эффективная длина взаимодействит 0.72 мм.

Основные результаты, положения и выводы, защищаемые в диссертации, рпубликов_а_ны в следующих работах:

1. A.L. Aleksandrovskii, О.A. Gliko, А.А. Lukashev, I.I. Naumova, V.I. Pryalkin, A.V. Rusev, Facet-type domain structure in LiNbOj:Y: Mg crystals: characterization by means of linear and nonlinear optics, 15-th Intern. Conf. on Coherent and Nonlinear Optics, Technical Digest, v. 11, St. Petersburg, Russia, June27-July l,pp. 227-228, 1995.

2. A.L. Aleksandrovskii, O.A. Gliko, I.I. Naumova, V.I. Pryalkin, Charged domain walls in the lithium niobate: investigation by optical Bragg diffraction, 8-th J;MF, Nijmegen, The Netherlands, July 4-8, Abstracts Book, pp. P13-05, 1995.

3. И.И. Наумова, O.A. Глико, Монокристаллы LiNbOi с периодической модуляцией доменной i фуктуры, Кристаллография, 41, с. 749-750, 1996.

4. A.JI. Александровский, О.А. Глико, И.И. Наумова и В.И. Прялкнн, Линейная и нелинейная дифракционные решетки в монокристаллах ниобата лития с периодической доменной структурой, Квантовая электроника, 23, с. 657-659, 1996.

5. О.А. Глико, И.И. Наумова, Н.Ф. Евланова, Исследование регулярной доменной структуры LiNb03: химическое травление и ренгеноспектральный анализ, - в сборнике докладов международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам /секция физики/ "ЛОМОНОСОВ-96", 1997.

6. И.И. Наумова, О.А. Глико, Н.Ф. Евланова, Легированные монокристаллы ниобата лития с регулярной ростовой доменной структурой перспективный материал дня квазисинхронных нелинейно-оптических преобразований, Всеросс. конф."Химия твердого тела. Новые материалы", Екатеринбург, 14-18 окт., т.2, с. 210,1996.

7. 1.1. Naumova, N.F. Evlanova and О.А. Gliko, Bulk single crystals of periodically poled LiNbOj, Proceeding of the Russian-Japanese joint seminar

"The Physics and Modelling of Intelligent Materials and their Applications" (PMIMA) Moscow, MGU, 19-22 Sept., pp. 190-194, 1996.

8. I.I. Naumova, N.F. Evlanova, O.A. Gliko and S.V. Lavrishchev, Czochralski-grown lithium niobate with regular domain structure, Ferroelectrics, 190, pp. 107-112,1997.

9. I.I. Naumova, N.F. Evlanova, O.A. Gliko and S.V. Lavrishchev, Study of periodically poled Czochralski-grown Nd:Mg:LiNb03 by chemical etching and X-ray microanalysis, Crystal Growth 181, pp. 160-164, 1997.

10. O.A. Gliko, I.I. Naumova, N.F. Evlanova, O.A. Shustin, T. Chemevich, S.V. Lavrishchev, Effect of the close-packed face on the growth front in Czochralski-grown doped lithium niobate, ECM-17 (17th European Cristallographie Meeting, Lisboa, Portugal, 24-28 August 1997, Abstract Book, p. 51.

11. I.I. Naumova, N.F. Evlanova, O.A. Gliko, S.V. Lavrishchev, Correlation of the reversed domains with impurity modulation in doped LiNbOî, The 9th Intern. Meeting on Ferroelectricity, 24-29 August 1997, Seoul, Korea, Abstract Book, p. 122.

12. O.A. Gliko, I.I. Naumova, J.J. Ju, H.K. Kim, and M. Cha, Quasi-phase matched second harmonic generation in a LiNb03 crystal with periodic domain structure, J. Korean Phys. Society, 32, pp. 464-467, 1998.

1 У

« ш

\ щ

щ

Ь ¿Ш-

I щ

^ а '•

- ййчий! ?. »

А

1. } гтт

в^ОИНН О^ЕСТЮЫ

*

* -*

Рис. 1. Однозначное соответствие между модуляцией концентрации N<1 и периодической доменной структурой "гранного" типа в кристалле иМЬОэ:Ш:М£. Период равен 26 мкм.

Ал,(х') (отв. «я.)

\ г* 1\ \ Г

О 0.5 1.0 1.5 г' (период)

Рис. 2. (а) Профиль линейной решетки в кристалле 1лМЬОэ:У:Мз в результате синтеза 15 фурье-компонент (см. табл.); (б) взаимное соответствие дифракционных решеток - линейной (а) и нелинейной (б) - и доменной структуры (в).

Длина копны (м км)

Энергия падающей волны (мДж)

Рис. 3. (а) Кривая волновой настройки для квазисинхронной ГВГ при комнатной температуре; (б) зависимость эффективности преобразования энергии ГВГ от энергии падающего излучения для квазисинхронной длины волны 956 нм.

93-1

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М.В. ЛОМОНОСОВА

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

на правах рукописи УДК 548.5; 535.36; 621.373

Глико Ольга Александровна

ЛИНЕЙНАЯ И НЕЛИНЕЙНАЯ ДИФРАКЦИОННЫЕ РЕШЕТКИ В КРИСТАЛЛАХ НИОБАТА ЛИТИЯ С ПЕРИОДИЧЕСКОЙ ДОМЕННОЙ СТРУКТУРОЙ

Специальность 01.04.18 — кристаллофизика и кристаллография

МОСКВА —1998

/ / '

/

л

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М. В. ЛОМОНОСОВА

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

на правах рукописи УДК 548.5; 535.36; 621.373

Глико Ольга Александровна

ЛИНЕЙНАЯ И НЕЛИНЕЙНАЯ ДИФРАКЦИОННЫЕ РЕШЕТКИ В КРИСТАЛЛАХ НИОБАТА ЛИТИЯ С ПЕРИОДИЧЕСКОЙ ДОМЕННОЙ СТРУКТУРОЙ

Специальность: 01.04.18 - кристаллофизика и кристаллография

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научные руководители: профессор, доктор техн. наук Л. Н. Рашкович кандидат геол.-мин. наук И. И. Наумова

I •

1 I

-ни

Москва, 1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................................................................................................4

Глава 1. МЕТОДЫ СОЗДАНИЯ И ИЗУЧЕНИЯ ПЕРИОДИЧЕСКОЙ

ДОМЕННОЙ СТРУКТУРЫ В КРИСТАЛЛЕ НИОБАТА ЛИТИЯ....................9

1.1. Ниобат лития - нелинейный кристалл для преобразования частоты

лазерного излучения................................................................................................................................................................9

1.2. Методы создания периодической доменной структуры....................................................................11

1.3. Механизмы формирования периодической доменной структуры............................................15

1.4. Исследование ростовой доменной структуры............................................................................................20

1.5. Квазисинхронные преобразования частоты лазерного излучения

в периодически поляризованных кристаллах............................................................................................22

Глава 2. ПОЛУЧЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРИОДИЧЕСКОЙ

ДОМЕННОЙ СТРУКТУРЫ.....................................................................................28

2.1. Выращивание легированных кристаллов 1лМ>03 с периодической доменной структурой из расплава методом Чохральского......................................................................................28

2.1.1. Установка для выращивания кристаллов......................................................................................28

2.1.2. Синтез шихты..............................................................................................................................................................30

2.1.3. Формирование периодической доменной структуры в процессе выращивания кристаллов из расплава..........................................................................................30

2.2. Распределение примесей и сегнетоэлектрическая

доменная структура..................................................................................................................................................................36

2.3. Выводы..................................................................................................................................................................................................51

Глава 3. МЕХАНИЗМ ФОРМИРОВАНИЯ ПЕРИОДИЧЕСКОЙ

ДОМЕННОЙ СТРУКТУРЫ...................................................................................................................52

3.1. Образование вращательных полос роста........................................................................................................52

3.2. Модель встроенного электрического поля....................................................................................................57

3.3. Выводы..................................................................................................................................................................................................64

Глава 4. ЛИНЕЙНАЯ И НЕЛИНЕЙНАЯ ДИФРАКЦИОННЫЕ РЕШЕТКИ

В ПЕРИОДИЧЕСКИ ПОЛЯРИЗОВАННОМ НИОБАТЕ ЛИТИЯ....................65

4.1. Дифракция света на объемной фазовой решетке......................................................................................65

4.2. Экспериментальное изучение дифракции света на периодической

доменной структуре..................................................................................................................................................................68

4.3. Синтез профиля линейной решетки..........................................................................................................................71

4.4. Взаимное соответствие дифракционных решеток и доменной структуры......................72

4.5. Выводы......................................................................................................................................................................................................79

Глава 5. НЕЛИНЕЙНО-ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПЕРИОДИЧЕСКОЙ

ДОМЕННОЙ СТРУКТУРЫ..............................................................................................................................81

5.1. Генерация второй гармоники в кристаллах с периодической доменной структурой "гранного" типа......................................................................................................................................81

5.2. Экспериментальное исследование квазисинхронной ГВГ в кристаллах ШЪОз:Ш:М§....................................................................................................................................................................................87

5.3. Выводы..................................................................................................................................................................................................93

ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................................................................................................................................................94

ЛИТЕРАТУРА........................................................................................................................................................................................97

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Возможность осуществления квазисинхронных преобразований лазерного излучения, расширяющих область возможного применения нелинейных материалов, притягивает большое внимание к кристаллам с периодической доменной структурой. Особое практическое значение имеют удвоение частоты и параметрическая генерация света в видимом и инфракрасном диапазоне.

В одноосных сегнетоэлектриках, каковым является ниобат лития, за счет создания периодической системы антипараллельных доменов осуществляется периодическая модуляция различных физических характеристик, например, электрооптических, нелинейно-оптических коэффициентов, и т. д. Такие кристаллы представляют собой совокупность оптических линейной и нелинейной объемных фазовых решеток. Линейная фазовая решетка представляет собой возмущения показателей преломления, а под нелинейной подразумевается модуляция нелинейной восприимчивости.

Особенностями этих фазовых решеток являются существенно негармонический профиль и возможное непостоянство периода. Предъявляемые требования к таким объемным фазовым решеткам стимулируют их изучение и поиск новых возможностей их формирования.

Цель настоящей работы состояла в установлении механизма образования периодической доменной структуры в процессе роста легированных кристаллов ниобата лития и исследование оптических свойств возникающих линейной и нелинейной дифракционных решеток.

Для достижения этой цели были поставлены следующие основные задачи:

- вырастить кристаллы ниобата лития с периодической доменной структурой;

- провести экспериментальный анализ модуляции состава кристалла и ее особенностей, связанных с использованием различных примесей и различных направлений выращивания;

- исследовать профили линейной и нелинейной дифракционных решеток;

- исследовать квазисинхронную генерацию второй гармоники в кристаллах LiNb03:Nd:Mg с периодической структурой "гранного" типа.

Научная новизна полученных в диссертации результатов состоит в следующем:

1. Показано, что использование двойного легирования кристаллов ниобата лития и

направления выращивания вдоль нормали к грани (0112) позволяет формировать периодическую доменную структуру "гранного" типа с периодом 4-30 мкм, плоскими границами и эффективной длиной взаимодействия ~1 мм.

2. Показано, что различие тангенциального и нормального механизмов роста кристаллов из расплава ведет к существенному различию характера модуляции концентрации примеси.

3. Благодаря совмещению изображения доменов с распределением концентрации примеси, показано, что положительно заряженные границы возникают около минимумов концентрации, а отрицательно заряженные - около максимумов концентрации.

4. На основе измерения интенсивностей брэгговской дифракции света синтезирован профиль линейной дифракционной решетки, образованный возмущениями показателя преломления вблизи заряженных доменных стенок. Определен профиль нелинейной решетки, образованный пространственной модуляцией нелинейной оптической восприимчивости.

5. Эффективная генерация синего света достигнута в процессе квазисинхронного 1-го порядка удвоения частоты в кристаллах LiNbCb:Nd:Mg с периодической доменной структурой "гранного" типа.

Практическая значимость работы. Установление механизма образования периодической доменной структуры в процессе выращивания кристаллов ниобата лития позволит в дальнейшем улучшить ее основные параметры. Достигнутое качество периодической доменной структуры позволяет изготовлять на ее основе устройства, служащие для эффективной генерации излучения видимого диапазона.

На защиту выносятся следующие основные положения:

- положительно заряженные (конфигурации "голова к голове") и отрицательно заряженные (конфигурации "хвост к хвосту") доменные стенки образуются вблизи минимумов и максимумов концентрации примеси, соответственно;

- для периодической доменной структуры "гранного" типа кристаллах LiNbCbiY профиль нелинейной решетки является трапециидальным, близким к прямоугольному;

- профиль линейной решетки содержит два пика показателя преломления (шириной 0.2 и 0.5 мкм) на один период, соответствующие положительно и отрицательно заряженным стенкам.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на XV Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Санкт-Петербург,

1995 г.), на VII Европейской конференции по сегнетоэлектричеству (Неймеген, 1995 г.), на IV Международной конференции по сегнетоэлектрическим доменам (Вена, 1996 г.), на Всероссийской конференции "Химия твердого тела. Новые материалы" (Екатеринбург,

1996 г.), на международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам /секция физики/ "JIOMOHOCOB-96", на российско-японском совместном семинаре "Физика и моделирование информационных материалов и их применения" (Москва, 1996 г.), на XVII Европейском кристаллографическом конгрессе (Лиссабон, 1997 г.) и на IX Международной конференции по сегнетоэлектричеству (Сеул, 1997 г.).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитированной литературы. Объем диссертации составляет

105 страниц текста, включая 25 рисунков, 2 таблицы и список литературы из 94 наименований.

Работа построена следующим образом.

Первая глава представляет собой обзор литературы, посвященный методам создания и изучения периодической доменной структуры, а также ее применению для управления спектральными параметрами лазерного излучения.

Вторая глава посвящена выращиванию кристаллов ниобата лития с периодической доменной структурой и экспериментальному изучению ее особенностей и связи с модуляцией состава кристалла. Периодическая доменная структура с периодом 4-30 мкм формировалась непосредственно в процессе выращивания кристаллов ниобата лития, легированных У, Бу, Ей, N(1, а также М^ в качестве второй примеси в направлении осей X,

У, Ъ и вдоль нормали к грани (0112). Последнее направление роста позволяет формировать периодическую доменную структуру "гранного" типа, отличающуюся плоскими границами и нестабильностью периода не более 1% на длине 1-2 мм. Исследована зависимость концентрации примеси от длины кристалла и найдено однозначное соответствие между модуляцией примеси и положением доменных границ.

В третьей главе полученные данные о распределения концентрации примеси обсуждаются в рамках модели пограничного слоя при использовании стационарного приближения. Рассматривается механизм образования периодической доменной структуры в кристаллах с модуляцией состава. Модель предполагает существование встроенного электрического поля, возникающего вследствие процесса амбиполярной диффузии ионов примеси и компенсирующих дефектов, а также наличия градиента температуры во время роста и охлаждения кристалла.

Четвертая глава посвящена исследованию свойств линейной и нелинейной дифракционных решеток в кристаллах ниобата лития с периодической доменной структурой "гранного" типа. На основе измерения эффективностей 15 дифракционных

максимумов синтезирован профиль линейной решетки, который содержит два пика показателя преломления, соответствующих положительно и отрицательно заряженным доменным стенкам. Возмущения показателя преломления локализованы в чрезвычайно узкой области около доменной стенки и порождаются экранировкой связанного заряда стенки. Профиль нелинейной решетки был найден трапециидальным, близким к прямоугольному.

В пятой главе изучались нелинейно-оптические свойства периодической доменной структуры в кристаллах 1л1ЧЬОз:Кс1:М§. Была реализована квазисинхронная ГВГ и исследована зависимость ее основных параметров от нерегулярности периода решетки.

Глава 1

МЕТОДЫ СОЗДАНИЯ И ИЗУЧЕНИЯ ПЕРИОДИЧЕСКОЙ ДОМЕННОЙ СТРУКТУРЫ В КРИСТАЛЛЕ НИОБАТА ЛИТИЯ

1.1. Ниобат лития - нелинейный кристалл для преобразования частоты лазерного излучения

Модуляция физических свойств кристалла расширяет пределы его применения. Возможности, раскрывающиеся в связи с получением периодических структур в уже известных кристаллах, объясняют огромный интерес к этому направлению, которое сейчас развивается параллельно поиску новых материалов (новых кристаллов, полимеров, ит. д.).

Ниобат лития - давно известный нелинейный кристалл, один из наиболее используемых для нелинейно-оптических преобразований, равно как электрооптических и акустооптических. Благодаря прогрессу, достигнутому в получении кристаллов ниобата лития конгруэнтного состава, обладающих высокой степенью однородности, был найден целый ряд применений этого кристалла, таких как, например, параметрическая генерация света. Главными проблемами на пути генерации видимого излучения стали оптическое повреждение (Ashkin et al., 1966) и малая величина двулучепреломления, приводящая к ограничению диапазона длин волн минимальной величиной 1 микрометр.

Легирование кристаллов ниобата лития позволило достигнуть некоторого прогресса в решении упомянутых проблем. Структура конгруэнтного ниобата лития имеет большое число собственных дефектов, что способствует легкости внедрения различных ионов, многие из которых имеют эффективный коэффициент вхождения, превышающий единицу (Nassau, 1967). Путем легирования магнием удалось значительно повысить порог

оптического повреждения кристаллов ниобата лития, что объясняется увеличением фотопроводимости. Одновременно повышение величины двулучепреломления позволило осуществить в кристаллах ниобата лития, легированных Mg, эффективную генерацию второй гармоники путем удвоения частоты излучения 1.064 мкм АИГ:Ш лазера (Kozlovsky et al, 1988). Эффект снижения оптического повреждения обнаружен также в кристаллах ниобата лития, легированных Sc (Yamamoto, 1992)

Помимо магния введение железа (Баласанян и др., 1979) и некоторых других примесей способствует увеличению двулучепреломления кристалла. Легирование может осуществляться путем введения примеси в расплав или в результате диффузии с поверхности вглубь кристалла. Первый способ приводит к неоднородности состава по длине выращенного кристалла, сказывающейся на неоднородности показателя преломления, что ограничивает использование кристалла (Nightingale et al., 1986). С помощью диффузии с поверхности возможно получение однородного легирования. Так, используя диффузию лития (Jundt et al., 1990), было достигнуто максимальное увеличение двулучепреломления и генерировалась вторая гармоника с длиной волны 488 нм при комнатной температуре.

Расширение спектрального диапазона используемого излучения является очень важным. Одна из задач - это удвоение частоты высокоэффективных диодных лазеров, действующих в интервале 0.8 - 0.9 мкм. Попытки создания диодных лазеров, испускающих синий свет при комнатной температуре, пока не достигли успеха. Генерация второй гармоники нелинейными материалами обеспечивает удобный путь к созданию компактных и надежных источников света видимого и ультрафиолетового диапазона. С другой стороны, отсутствие диодных лазеров в диапазоне средней инфракрасной области 2-10 мкм стимулирует поиск непрерывно перестраиваемых при комнатной температуре источников излучения в данном диапазоне.

Создание периодически поляризованных кристаллов ниобата лития существенно расширяет его потенциальные применения и позволяет преодолеть недостатки этого материала, ограничивающие его применение. В периодически поляризованном ниобате лития из-за периодического изменения направления полярной оси возникает модуляция свойств, соответствующих тензорам третьего ранга. 100%-модуляция нелинейно-оптических коэффициентов (они имеют противоположный знак в соседних доменах) позволяет осуществлять квазисинхронизм взаимодействующих волн. Если толщина одного домена равна когерентной длине взаимодействия, то накапливающаяся разность фаз, равная п на конце домена, становится равной нулю за счет изменения знака нелинейного коэффициента при переходе луча в соседний домен. Эффективность генер�