Нелинейно-оптическая и фоторефрактивная решетки монокристаллов сложных ниобатов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. МЕТОДЫ СОЗДАНИЯ И ИЗУЧЕНИЯ ПЕРИОДИЧЕСКОЙ ДОМЕННОЙ СТРУКТУРЫ В

КРИСТАЛЛЕ НИОБАТА ЛИТИЯ.

1Л. Структура кристаллов LiNb03.

1.2. Точечные дефекты в кристалле ниобата лития.

1.3. Вращательные полосы роста в кристаллах ниобата лития, выращенных из расплава.

1.4. Методы создания периодической доменной структуры.

1.5.Механизмы образования периодической доменной структуры.

1.6. Исследование ростовой доменной структуры.

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

ВЫВОДЫ:.

Глава 2. ВЫРАЩИВАНИЕ ЛЕГИРОВАННЫХ КРИСТАЛЛОВ LiNb03 С ПЕРИОДИЧЕСКОЙ ДОМЕННОЙ СТРУКТУРОЙ ИЗ РАСПЛАВА МЕТОДОМ ЧОХРАЛЬСКОГО.

2.1. Особенности роста монокристаллов ниобата лития.

2.2. Выбор оптимальных условий выращивания.

2.3. Влияние тепловых условий на рост кристаллов ниобата лития.

2.4. Синтез шихты.

2.5. Установка для выращивания кристаллов.

2.6. Формирование периодической доменной структуры в процессе выращивания кристаллов из расплава.

ВЫВОДЫ:.

Глава 3. ОСОБЕННОСТИ ДОМЕННОЙ СТРУКТУРЫ И РАСПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ПРИМЕСИ В КРИСТАЛЛАХ LiNb03:Y, ВЫРАЩЕННЫХ МЕТОДОМ ЧОХРАЛЬСКОГО.

3.1. Исследование корреляции между распределением примеси и положением границ сегнетоэлектрических доменах в кристаллах нибата лития, выращенных в направлении оси X.

3.2. Влияние грани {0112} на распределение примесей в кристаллах Nd:Mg:LiNb03.

3.3. Движение доменных стенок в кристаллах У:1Л1ЧЬОз, выращенных методом Чохральского.

ВЫВОДЫ:.

ГЛАВА 4. ОСНОВЫ ЭФФЕКТА ФОТОРЕФРАКЦИИ.

4.1. Процессы фотогенерации и пространственного перераспределения подвижных носителей заряда в фоторефрактивных кристаллах.

4.2. Физические модели фоторефрактивного эффекта.

4.3. Фоторефрактивный эффект и его проявления в динамической голографии.

4.4. Некоторые основные характеристики фоторефрактивных кристаллов для записи объемных фазовых голограмм.

ВЫВОДЫ:.

Глава 5. ВЛИЯНИЕ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ДОМЕНОВ НА ЭФФЕКТ ФОТОРЕФРАКЦИИ В КРИСТАЛЛАХ НИОБАТА ЛИТИЯ.

5.1. Исследование механизма внедрения железа в кристаллы ниобата лития.

5.2. Фоторефрактивный отклик объемного периодически поляризованного LiNb03:Y:Fe при высоких и низких пространственных частотах.

5.3. Влияние флуктуаций доменной структуры на фоторефрактивный отклик в периодически-поляризованных кристаллах ниобата лития.

ВЫВОДЫ:.

Глава 6. ИССЛЕДОВАНИЕ ФОТОРЕФРАКТИВНЫХ СВОЙСТВ КРИСТАЛЛОВ НИОБАТА КАЛИЯ.

6.1. Выращивание кристаллов ниобата калия.

6.2. Измерение фотопроводимости и коэффициентов поглощения чистых и легированных железом кристаллов ниобата калия.

6.3. Особенности распространения световых волн в объеме фоторефрактивного кристалла.

6.4. Оптические и электрооптические свойства кристаллов ниобата калия.

6.5. Наблюдение эффекта обращения волнового фронта.

ВЫВОДЫ:.

Актуальность темы. Благоприятное сочетание оптических, пьезоэлектрических, пироэлектрических и других физических свойств в сегнетоэлектричеких кристаллах ниобата лития (LiNb03) предопределило их широкое применение в квантовой электронике, акустоэлектронике и измерительной технике. 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.

С 1980 г. прикладываются усилия к получению сегнетоэлектрических кристаллов с периодической доменной структурой для генерации второй гармоники в видимой области. Для практических применений необходимо создание структур, включающих антипараллельные сегнетоэлектрические домены, каждый из которых имеет толщину порядка когерентной длины волны. Возможность создания доменной структуры с различными периодами позволяет осуществлять квазисинхронные преобразования в широком диапазоне длин волн. В ниобате лития в таких периодических структурах возможно использование самого большого нелинейного коэффициента d33. В одноосных сегнетоэлектриках, каковым является ниобат лития, за счет создания периодической системы антипараллельных доменов осуществляется периодическая модуляция различных физических 5 характеристик, например, электрооптических, нелинейно-оптических коэффициентов и т.д.

Интерес к кристаллам ниобата лития с объемной периодически поляризованной структурой (оптической сверхрешеткой) обусловлен возможностью осуществления в них квазисинхронных нелинейно-оптических преобразований лазерного излучения [Armstrong J.A. et ai, 1962], т.к. периодические реверсы спонтанной поляризации (Ps) в легированном ниобате лития коррелируют с периодическими изменениями знака нелинейного коэффициента. Монокристаллы ниобата лития с периодически поляризованной структурой (объемной дифракционной решеткой) привлекают большое внимание также из-за возможности осуществления в них самоудвоения частоты [Дмитриев В.Г. и др., 1979].

За последние годы интерес к кристаллам UNb03 и KNb03 в значительной степени возрос после обнаружения в них фоторефрактивного эффекта (ФРЭ), т.е. индуцированного светом изменения показателя преломления вещества [Ashkin A. et ai, 1966]. Явление фоторефракции сразу же вызвало значительный интерес у специалистов в области физики твердого тела и оптики. Последовавшее за тем широкое исследование физической природы фоторефракции существенно расширило современные представления о микроскопических механизмах формирования оптически индуцированных объемных зарядов в электрооптических кристаллах и дало мощный импульс в развитии таких новых направлений, как динамическая голография и дифракция света на объемных голограммах в анизотропных средах.

Поскольку при фоторефракции изменение показателя преломления является обратимым, то фоторефрактивные 6 кристаллы стали рассматриваться как реверсивные светочувствительные среды. Это оказалось ценной находкой для инженеров - оптиков, занимающихся голографией и оптической обработкой информации.

Широкое распространение источников когерентного излучения света (лазеров) позволило по-новому поставить вопрос о полной записи оптической информации, с использованием не только амплитудных, но и фазовых характеристик волн. Запись фазовых характеристик позволяет передавать ощущения объемности изображений, запись становится более полной и соответствующий раздел оптики получил название голографии (что в переводе с греческого означает "полная запись").

Голографическая интерферометрия с успехом применяется в технике в качестве метода неразрушающего контроля для исследования однородности роста кристаллов, для изучения физики быстропротекающих процессов. Важным является тот факт, что традиционная, статическая голография фиксирует неподвижную картину распределения интенсивности, вызванную интерференцией когерентных волн. Запись проводится на фотопластинку, изображение можно считывать лишь после процесса проявления и фиксации, что не позволяет получать полную информацию о непрерывном развитии событий во времени. В этом случае статическая голография не является полной, она дает объемное изображение, однако информация о непрерывном временном изменении объекта теряется. Возможность получать трехмерные и изменяющиеся во времени изображения объектов дает динамическая голография, в которой процессы записи и считывания происходят одновременно; такое расширение функциональных 7 возможностей достигается за счет применения динамических сред, в которых изменение оптических характеристик происходит непосредственно под действием освещения.

В последнее время весьма активные исследования проводятся в целях использования фоторефрактивных кристаллов для усиления слабых световых пучков. Введение дополнительного мощного встречного пучка накачки, а также появление новой восстановленной обращенной волны приводит к возникновению оптической обратной связи для усиливаемой световой волны. В результате, коэффициент усиления последней может существенным образом возрасти и даже обратиться в бесконечность (так называемый режим генерации). Поставленный в такие условия фоторефрактивный кристалл превращается в эффективный усилитель своих собственных шумов, в которые перекачивается практически вся энергия мощных пучков накачки.

Цель настоящей работы состояла в установлении механизма образования периодической доменной структуры в процессе роста легированных кристаллов ниобата лития и исследовании факторов, определяющих фоторефрактивный эффект, начиная с процесса роста кристалла, до оптимизации оптической геометрии эксперимента по записи голографической решетки

Для достижения этой цели были поставлены следующие основные задачи: вырастить кристаллы ниобата лития с периодической доменной структурой; 8 провести экспериментальный анализ модуляции состава кристалла и ее особенностей, связанных с использованием различных примесей и различных направлений выращивания; исследовать влияние электрического поля и лазерного излучения на проводимость кристаллов сложных ниобатов. изучить механизмы оптического повреждения периодически поляризованных кристаллов ниобата лития; рассчитать оптимальную ориентацию образца для экспериментального изучения фоторефрактивных свойств.

Научная новизна полученных в диссертации результатов состоит в следующем:

1. Показано, что использование двойного легирования кристаллов ниобата лития позволяет формировать периодическую доменную структуру в кристаллах LiNb03, легированных диспрозием, иттрием и неодимом, иттрием и магнием, железом, выращенных методом Чохральского в асимметричном тепловом поле, в направлениях {0001}, {0110}, {0112}.

2. Установлено, что однородность и оптическое совершенство полученных кристаллов обеспечиваются: плоским фронтом кристаллизации, оптимальным отношением осевого и радиального градиентов по длине сборки в выбранной конструкции ростовой камеры и длительным отжигом выше температуры фазового перехода.

3. Разработан новый способ исследования корреляции между распределением примеси и положением границ доменов в периодически поляризованном кристалле ниобата лития. Установлено соответствие между периодом модуляции 9 концентрации примеси (Nd, Y, Eu) и периодом доменной структуры. Показано, что отрицательно и положительно заряженные границы доменов возникают в максимумах и минимумах концентрации соответственно.

4. Показано, что доменные стенки ниже температуры Кюри смещаются (5 цт/h) относительно соответствующих минимумов концентрации иттрия в процессе выращивания кристалла ниобата лития. Наблюдалось возникновение нового положительного домена вокруг следа электронного луча на поверхности {оно} кристалла LiNb03:Y.

5. Определена оптимальная концентрация железа в кристаллах ниобата лития (0,03 мол %) и показано, что эффективность применения ниобата лития в оптических запоминающих устройствах может быть повышена путем использования легированных железом кристаллов с низким содержанием лития, охлажденных после выращивания в режиме закалки.

6. Показано, что запись фазовой решетки в полидоменных сегнетоэлектрических фоторефрактивных кристаллах может быть такой же эффективной как и в монодоменном материале. В то же время полидоменные кристаллы обеспечивают подавление нелинейного отклика при низких пространственных частотах, т.е. уменьшают нежелательное оптическое повреждение.

7. Проведено теоретическое исследование влияния флуктуации периода доменной структуры кристаллов ниобата лития на фоторефрактивный отклик. Было найдено, что флуктуации сильно увеличивают фоторефрактивный отклик в пределе малых векторов записанной решетки и дают пренебрежимо малый вклад для больших векторов решетки.

10

8. На основании анализа изменения тензора диэлектрической проницаемости в зависимости от ориентации приложенного поля относительно кристаллографических осей KNb03 была рассчитана максимальная амплитуда внутримодовой дифракции световой волны. Рассчитана оптимальная ориентация образца для экспериментального изучения фоторефрактивных свойств.

Практическая значимость работы. Изучение механизма образования периодической доменной структуры в процессе выращивания кристаллов ниобата лития позволит в дальнейшем улучшить ее основные параметры. Достигнутое качество периодической доменной структуры позволит создавать на ее основе устройства, служащие для эффективной генерации излучения видимого диапазона и голографической записи информации.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Отрицательно и положительно заряженные границы доменов возникают в максимумах и минимумах концентрации соответственно.

2. Доменные стенки ниже температуры Кюри смещаются (5 jum/h) относительно соответствующих минимумов концентрации иттрия в процессе выращивания кристалла ниобата лития.

3. Дифракционная эффективность голографической решетки в полидоменном образце мало отличается от дифракционной эффективности в монодоменном образце, но в случае прохождения луча через периодически -поляризованный образец луч не искажается.

11

4. Флуктуации периода доменной структуры сильно увеличивают фоторефрактивный отклик в пределе малых векторов голографической решетки и дают пренебрежимо малый вклад для больших векторов решетки.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на XVI Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (ICONO, Москва, 1998 г.), на XV Всероссийской конференции по физике сегнетоэлектриков (г. Ростов-на-Дону, г. Азов, 1999 г.), на Международной к конференции по росту и физике кристаллов, посвященной памяти М.П. Шаскольской (Москва, 1998), на III Международной конференции по росту монокристаллов, проблемам роста и тепло-массопереноса (г. Обнинск, 1999), на XVIII Международном Конгрэссе кристаллографов (Глазго, Шотландия,

1999), на XXI конференции по исследованию научных материалов (Materials Research Society) (Бостон, США, 2000), на конференции по исследованию роста кристаллов и эпитаксии (Калифорния, США,

2000), на IX Международной конференции по росту кристаллов (г. Москва, 2000), на XXII конференции по исследованию научных материалов (MRS-2000) (Сан-Франциско, США, 2000), на IX Международном симпозиуме по сегнетоэлектричеству (ISFD-6) ( Китай, 2000).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения; шести глав, заключения и списка цитированной литературы. Объем диссертации составляет 184 страницы текста, включая 36 рисунков, 5 таблиц и список литературы из 134 наименований. Работа построена следующим образом: Во введении обоснована актуальность темы, изложены цель и задачи работы,

ВЫВОДЫ:

1. Полидоменные периодически поляризованные образцы ниобата лития, легированные иттрием и железом создают возможность для записи фазовой решетки с дифракционной эффективностью

138 близкой к таковой в монодоменном образце идентичной толщины.

2. Оптическое повреждение, индуцированное ограниченным поперечным размером луча света, значительно уменьшается в периодически поляризованном образце по сравнению с монодоменным материалом.

3. Теоретическое рассмотрение показало, что флуктуации доменной структуры сильно увеличивают фоторефрактивный отклик в пределе малых векторов голографической решетки (порядка 0,5 jim) и дают пренебрежимо малый вклад для больших векторов решетки.

139

Глава 6. ИССЛЕДОВАНИЕ ФОТОРЕФРАКТИВНЫХ СВОЙСТВ КРИСТАЛЛОВ НИОБАТА КАЛИЯ.

6.1. Выращивание кристаллов ниобата калия.

Кристалл ниобата калия (KNb03) является высокочувствительным фоторефрактивным материалом, обладающим весьма большими электрооптическими коэффициентами по сравнению с другими кристаллами.

С начала 70-х годов, когда были получены крупные монокристаллы ниобата калия оптического качества и исследованы их нелинейно-оптические характеристики, интерес к этому материалу значительно возрос и не ослабевает до настоящего времени. Это связано с высоким значением эффективной нелинейности по сравнению с другими кристаллами-преобразователями частоты излучения видимого и ближнего ИК-диапазонов, высокой стойкостью к лазерному излучению, а также низким полуволновым напряжениям при электрооптическом управлении лазерным излучением.

Введение в кристаллы ниобата калия примеси железа позволяет получить высокочувствительный фоторефрактивный материал с малым временем стирания, что очень важно для устройств адаптивной оптики и динамической голографии.

В связи с перспективами широкого применения ниобата калия возникает потребность в освоении технологии выращивания кристалла. В работах {Дьяков В. А. и др., 1982, Тимофеева А. и др., 1964, Fluckiger U. et al., 1976] были описаны методики получения кристаллов ниобата калия высокого качества. Нами за основу была выбрана методика выращивания кристаллов ниобата калия из раствора в расплаве [Fluckiger U. et al., 1976], по которой авторами

140 был получен однородный образец, с неоднородностью показателя преломления меньше, чем 1x10"5.

Была поставлена задача освоить метод выращивания кристаллов ниобата калия, легированных железом, которые при проведении монодоменизации позволяют получить однородные монодоменные образцы, годные для проведения фоторефрактивных измерений. Для выращивания кристаллов ниобата калия использовалась печь с внутренней обмоткой из высокотемпературного сплава с неравномерным шагом намотки (рис. 6.1). Подобное устройство нагревателя обеспечивало минимальный температурный градиент по вертикальной оси печи и поддержание у стенок тигля более высокой температуры, чем в центре расплава, что предотвращало зарождение паразитных кристаллов на периферии и способствовало разрастанию кристалла под поверхностью расплава.

В опытах использовались платиновые тигли емкостью 150 мл. Затравочный кристалл ниобата калия прикреплялся к платиновому держателю и опускался до касания с поверхностью расплава при температуре примерно на 10°С выше температуры кристаллизации (1050°С). После подплавления затравки температура снижалась, пока не начинался рост кристалла.

Рост происходил без вытягивания из расплава и при непрерывном снижении температуры со скоростью 0.15-0.2 град/час при вращении кристалла в начале роста со скоростью 0.6 сек'1 с уменьшением до 0.3 сек1. Рост кристалла до размеров 30x30x10 мм3 продолжался около 40 часов.

142

После выращивания кристалл поднимался над расплавом и затем охлаждался со скоростью 10 град/час. Во время выращивания, при температуре около 1050°С, ниобат калия кристаллизуется в центросимметричной кубической модификации, которая устойчива до температуры 435°С. При дальнейшем охлаждении образуются тетрагональная (435°С), ромбическая (225°С) и ромбоэдрическая (-10°С) фазы. Фазовые переходы обусловлены смещением ионов ниобия внутри кислородного октаэдра и сопровождаются возникновением сегнетоэлектрических свойств в ниобате калия.

При высоком структурном совершенстве монокристалла (малое число дислокаций, отсутствие блочности и макровключений) наличие и взаимное расположение доменов и доменных стенок того или иного типа зависит прежде всего от условий в которых происходили фазовые переходы и поэтому в области фазовых переходов скорость охлаждения кристаллов не превышала 1°С в час.

Выращенные кристаллы ниобата калия (рис. 6.2, 6.3) имеют плоские грани, соответствующие граням куба {111} высокотемпературной фазы. Как видно из рисунков 6.2 и 6.3, в кристаллах наблюдается система ортогональных границ и крупные прозрачные участки, в которых доменные стенки отсутствуют. Однако, прозрачные участки могут иметь 180° доменные стенки (вектор спонтанной поляризации Ps в соседних областях изменяет направление на 180°), которые не изменяют оптические свойства кристаллов, но проявляют себя в нелинейно-оптических взаимодействиях и электрооптике. Кроме того, доменные стенки,

143 образованные ортогональным расположением вектора спонтанной поляризации, видимы только при наблюдении по направлению, перпендикулярному плоскости, в которой находится вектор спонтанной поляризации.

144

Рис. 6. 2. Монокристалл КЛ/Ь03 без примесей

Рис. 6. 3. Монокристалл KM>03, выращенный из расплава, содержащего 0.5% вес. Fe203.

145

6.2. Измерение фотопроводимости и коэффициентов поглощения чистых и легированных железом кристаллов ниобата калия.

Были измерены темновые проводимости кристаллов KNb03 и KNb03:Fe при переменном и постоянном токе. Проводимость кристаллов ниобата калия, измеренная при постоянном токе отличается от проводимости при переменном токе. Так, для чистого кристалла KNb03 по оси с:

СГ (перемен. ток)=9.36* 10 10 S

Гпостоян.токг7.1*10-5-6.24*10-115

При измерении при постоянном токе наблюдался большой разброс значений проводимости в зависимости от предыстории образца. При изменении знака приложенного поля при последующих измерениях значение проводимости может отличаться в десятки раз.

Было сделано предположение, что при измерениях при постоянном токе происходит поляризация кристалла (разделение зарядов и вследствие этого изменение внутреннего поля) и фиксация этой поляризации за счет наличия доменных стенок и структурных дефектов. Это явление можно устранить, приложив к кристаллу перед измерением переменное электрическое поле. При обработке переменным полем мы устраняем поляризацию, которая была вызвана предыдущим измерением.

1.1 I 1 I 1 | 1 I 0.0 0.2 0.4 0.6 0.82а для KNbOj, б - для KNb03:Fe152

2. Особенности распространения световых волн в объеме фоторефрактивного кристалла.1. Электрооптический эффект.

3. Для экспериментального изучения фоторефрактивных свойств кристалла ниобата калия был проведен анализ особенностей распространения световых волн в объеме двухосного фоторефрактивного кристалла в присутствии внешнего электрического поля.

4. Электрооптический эффект проявляется в изменении показателя преломления под действием внешнего электрического поля.

5. Аналитически электрооптический эффект выражается в виде зависимости тензора диэлектрической непроницаемости среды а от внешнего электрического поля е Петров М.П. и др., 1992.:a(e)=a+r a+R ее*-.

6. Экспериментально было получено значение полуволнового напряжения (L/^1400 В) для кристалла размером 0.7x0.8x1.1 см3, которое хорошо сходится с теоретически рассчитанным1. U(V2)meop= 1440 В.

7. Расчёт изменения тензора диэлектрической проницаемости в зависимости от ориентации приложенного поля относительно кристаллографических осей образца и его величины.156

8. Кристалл ниобата калия относится к классу симметрии /77/772. Тензор диэлектрической проницаемости имеет вид:гъа О О' 8=0 гь 0 0 0г ----п;