Нелинейно-оптические эффекты на периодически поляризованных структурах в оптических волноводах на ниобате лития тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

На правах рукописи

ЩЕРБИНА ВЕСТА ВЯЧЕСЛАВОВНА

НЕЛИНЕЙНО-ОПТИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ НА ПЕРИОДИЧЕСКИ ПОЛЯРИЗОВАННЫХ СТРУКТУРАХ В ОПТИЧЕСКИХ ВОЛНОВОДАХ

НА НИОБАТЕ ЛИТИЯ

01.04.05-Оптика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Томск-2014

11 СЕН 2014

005552391

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники», на кафедре электронных приборов.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор

Шандаров Станислав Михайлович

Официальные оппоненты:

Шур Владимир Яковлевич, доктор физико-математических наук, профессор, федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина», отдел оптоэлектроники и полупроводниковой техники Научно-исследовательского института физики и прикладной математики Института естественных наук, главный научный сотрудник

Севостьянов Олег Геннадьевич, кандидат физико-математических наук, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Кемеровский государственный университет», кафедра экспериментальной физики, доцент

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный технический университет радиотехники, электроники и автоматики»

Защита состоится 30 октября 2014 г. в 14 ч. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.267.04, созданного на базе федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования «Национальный исследовательский Томский государственный университет», по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина 36, ауд. 119.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке и на официальном сайте федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования «Национальный исследовательский Томский государственный университет» www.tsu.ru.

Материалы по защите диссертации размещены на официальном сайте ТГУ: http://www.tsu.ru/content/news/announcement_of_the_dissertations_in_the_tsu.php

Автореферат разослан « ¿5 » августа 2014 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета ^! Пойзнер Борис Николаевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Преобразование частоты лазерного излучения методами нелинейной оптики широко используется в современной технике и в научных исследованиях. Диэлектрические волноводы в нецентросимметричных кристаллах, благодаря высокой интенсивности электромагнитных полей при заданной мощности, позволяют существенно увеличить эффективность нелинейно-оптических спектральных преобразований лазерного излучения, использующих квадратичную нелинейность.

Легированные и номинально чистые кристаллы ниобата лития являются сегнетоэлектрическими многофункциональными материалами, на основе которых реализуются устройства интегральной и нелинейной оптики и модуляции лазерного излучения. Генерация второй оптической гармоники в этих кристаллах в условиях фазового синхронизма ограничена для Л?«, спектральной областью от 0,5 мкм до 1,9 мкм. Однако возможность формирования в ниобате лития периодических доменных структур (ПДС) позволяет реализовать генерацию второй гармоники (ГВГ) в режиме квазисинхронизма, когда этот диапазон ограничивается сверху только областью прозрачности для волны накачки (А.2и< 2,75 мкм), а снизу - для второй гармоники ( Х2т > 0,4 мкм).

Анализ литературы показывает, что эффективная генерация второй гармоники в оптических волноводах на ниобате лития также может быть реализована в режиме квазисинхронизма на ПДС. В оптических схемах и устройствах с полупроводниковыми лазерными диодами предпочтительным оказывается использование волноводных структур, сформированных на Х- или У-срезах 1л1ЧЬ03. Перспективным для формирования ПДС на таких срезах ниобата липы является метод локальных дискретных облучений поверхности нормальным полярной оси Z электронным пучком, использованный Л.С. Коханчик и Д.В. Пунеговым для их создания на }-срезе танталата лития. Для оптимизации условий реализации квазисинхронной волноводной ГВГ в таких структурах необходимо провести экспериментальные исследования оптических волноводов и создаваемых в подложках из ниобата лития ПДС, разработать основанные на экспериментальных данных методики характеризации реальных оптических волноводов и анализа её эффективности.

Наблюдаемая в оптических элементах и волноводах на основе ниобата лития нестабильность параметров, связанная с эффектом оптического повреждения, может быть значительно снижена путем легирования нефоторефрактивными примесями (1^, Ъа, 1п и Бс). Из литературы следует, что легирование ниобата лития цинком высокотемпературной диффузией из его паровой фазы, из металлических пленок Ъл и оксидных пленок ZnO приводит к формированию оптических волноводов с потенциально высокой стабильностью параметров. В связи с этим, актуальным является проведение исследований по формированию планарных волноводных структур Zn:LiNbOз из оксидных пленок 7пО и определению их параметров с целью реализации волноводной

квазисинхронной ГВГ, а также по визуализации методом микроскопии ГВГ планарных ПДС, созданных в полученных волноводах на подложках У- и X-срезов путем локальных дискретных облучений поверхности электронным пучком, нормальным полярной оси 2.

Анализ литературы показывает, что увеличение эффективности устройств, осуществляющих нелинейно-оптические преобразования спектра лазерного излучения, может быть реализовано при распространении взаимодействующих ТМ-вопа в щелевой волноводной структуре, которая для мод нулевого порядка не имеет критической толщины. Представляется возможным использование щелевой симметричной структуры, состоящей из двух пластин со сформированными в них оптическими волноводами, для нелинейного преобразования возбуждаемых в этих волноводах оптических волн накачки с частотами со, и со2, в излучение ТГц диапазона с частотой а>3 = ю, — со,, распространяющееся в такой структуре в виде волноводной моды нулевого порядка. Для оптических волноводов, сформированных на пластинах У- или Х-среза ниобата лития, актуальным является проведение теоретического анализа эффективности квазисинхронной генерации на разностной частоте, реализуемой с использованием созданных в этих пластинах планарных ПДС, на моде ТЕо щелевой симметричной структуры.

Все вышеизложенное и определило цель и задачи диссертационной работы.

Цели и задачи диссертационной работы

Целью работы является выявление особенностей периодически поляризованных структур, сформированных методом локальных дискретных облучений поверхности электронным пучком на У- и ^-срезах в кристаллах ниобата лития и в оптических волноводах на их основе, и нелинейно-оптических спектральных преобразований в планарных волноводах, реализуемых на поверхностных периодически поляризованных структурах. Для достижения данной цели решались следующие основные задачи:

1. Экспериментальное исследование формирования планарных оптических волноводов на Х- и У-срезах ниобата лития методом высокотемпературной диффузии Т> и 2,п и определение их параметров с целью создания в них электронным пучком периодических доменных структур для квазисинхронной волноводной ГВГ.

2. Экспериментальная реализация метода микроскопии ГВГ для визуализации и исследования планарных ПДС, созданных на Х- и У- срезах ниобата лития и в планарных волноводах на их основе.

3. Экспериментальное исследование волноводной ГВГ на поверхностных ПДС, созданных электронным пучком в волноводах ТгиМЮз и 2п:иЫЮ3, сформированных на подложках Х- и У-срезов.

4. Разработка методики и проведение теоретического анализа эффективности квазисинхронной волноводной ГВГ на поверхностных ПДС, созданных электронным пучком в волноводах Тл:1лМЬОз на пластинах У-среза, для различных процессов взаимодействия ТЕ1 + Г£}—* ТЕР.

5. Разработка методики и проведение теоретического анализа генерации излучения терагерцевого диапазона при нелинейном преобразовании света в симметричной щелевой волноводной структуре, состоящей из двух пластин У-среза ТкЫМЬОз, разделенных воздушным зазором.

Методы исследования

При экспериментальных исследованиях формирования планарных оптических волноводов применялась методика высокотемпературной диффузии "П и Ъп. в ниобат лития из пленок "П и ЪаО, соответственно. Для определения параметров сформированных планарных оптических волноводов использовались методы призменного ввода-вывода лазерного излучения с длинами волн 526,5, 632,8 и 1053 нм и расчета спектра эффективных показателей преломления волноводных мод и показателя преломления подложки из полученных экспериментальных данных.

Анализ качества и параметров поверхностных периодических доменных структур, сформированных методом электронно-лучевого экспонирования, проводился с использованием метода микроскопии ГВГ. Для визуализации изображений поверхностных ПДС и их расположения на пластинах Х- и У-среза ниобата лития был разработан универсальный испытательный стенд, использующий коллимированное импульсное лазерное излучение с длиной волны 1053 нм, несинхронную ГВГ в исследуемых образцах, методику формирования изображения структур со спектральной и пространственной фильтрацией генерируемого излучения и его регистрации цифровым видеоокуляром с матрицей размером 1/2" и разрешением в 3 мегапикселя.

При экспериментальном исследовании волноводной ГВГ на поверхностных ПДС использовался призменный метод ввода и вывода излучения и пучок накачки от импульсного лазера с длиной волны X = 1053 нм, длительностью импульсов 10 не, частотой повторения 1 кГц и энергией 200 мкДж, а также методика визуализации ПДС за счет рассеяния в излучательные моды.

Теоретический анализ эффективности квазисинхронной волноводной ГВГ на поверхностных ПДС проводился на основе методики анализа интегралов перекрытия для различных процессов взаимодействия ТЕу + ТЕ) —► ТЕР, с использованием модели профиля распределения нелинейного коэффициента по глубине волноводного слоя для ПДС в виде прямоугольной функции.

При проведении теоретического анализа генерации излучения терагерцевого диапазона использовались результаты расчета распределения поля волноводных ТЕ-мод в щелевой симметричной структуре, а также соотношение для эффективности преобразования г| при нелинейном преобразовании в волну разностной частоты со3 = со, - со, неистощаемых оптических волн накачки с частотами со, и со, в волноводах ТкГлМЬСЬ, из которых состоит рассматриваемая структура.

Основные положения, выносимые на защиту

1. На периодических доменных структурах, созданных электронным пучком в планарных волноводах Т1:1л№>Оз и 7п:1лМЪОз, сформированных на подложках Х- и У-срез а и имеющих пространственные периоды от 5,9 до 7,5 мкм, реализуется квазисинхронная волноводная генерация второй гармоники лазерного излучения для пучка накачки с длинами волн 1053 и 1064 нм, при его апертуре 2-5 мм, длительности импульсов 10 не и их энергии 200 мкДж.

2. Для того, чтобы учесть влияние параметров планарного диффузионного волновода на ниобате лития на эффективность квазисинхронной волноводной ГВГ и локализацию переполяризованной области на некоторой глубине у0 в волноводном слое для процессов преобразования мод ТЕ] + ТЕ) —> ТЕР, где _/',/>> 0, достаточно использовать модель профиля поперечного распределения нелинейного коэффициента оптической восприимчивости второго порядка Озз по глубине волноводного слоя у для поверхностной периодической доменной структуры, заданную в виде прямоугольной функции:

0, при 0<_у<у0,

¿п(У) = •<*&> ПРИУо^У-Уо + А> 0,при у> у0 +А.

где эффективный нелинейный коэффициент оптической восприимчивости второго порядка для сформированной электронным лучом поверхностной периодической доменной структуры в волноводе Тк1л1ЧЬОз, Д - размер переполяризованной области вдоль оси у, выбранный равным половине пространственного периода периодической доменной структуры, уо -минимальная глубина, на которой внедренный электронным пучком электрический заряд вызывает локальное изменение знака спонтанной поляризации.

3. В приближении неистощаемых оптических волн накачки с частотами со, и со, и мощностями Р\ и Рг, распространяющихся в виде волноводных ТЕ-мод в составляющих щелевую симметричную структуру планарных волноводах "П:1лМЬОз, сформированных в двух пластинах У-среза, имеющих толщину Ь и разделенных воздушным зазором а, излучение терагерцевого диапазона генерируется в виде волноводной Г£-моды данной структуры с мощностью Р% на разностной частоте <в3 = со, - <я2 в результате нелинейного квазисинхронного преобразования с эффективностью 11 = /УС-Р^Х которая достигает значения г| = 3,11х Ю"9 Вт1 при ¿>=15 мкм, а = 3 мкм, ширине световых пучков 100 мкм и длине взаимодействия 10 мм.

Достоверность результатов

Достоверность первого защищаемого положений подтверждается фактом квазисинхронной волноводной генерации второй гармоники лазерного излучения (глава 2), которая фиксировалась по выводу призмой из волноводов Тл:1л№>Оз и 2п:1лМЪ03, мод Г£0, ТЕ\, ТЕ2 на длине волны 526,5 и 532 нм в ходе экспериментальных исследований автора.

Достоверность второго защищаемого положения обеспечивается: 1) корректной постановкой решаемой модельной задачи; 2) качественным соответствием между представленными в работе теоретическими результатами расчета значений параметра перекрытия 5р]., удовлетворяющих неравенствам

S41 >ô31 >521 >ô40 2 530, и экспериментально достигаемой максимальной эффективностью волноводной генерации второй гармоники для процесса TEj + + TEj —► ТЕР при у = 1,р = 3, так как эффективность призменного вывода для волноводной моды ТЕблизкой к отсечке, существенно меньше, чем для моды ТЕг.

Достоверность третьего защищаемого положения подтверждается отсутствием противоречий с теоретическим исследованием, выполненным другими авторами [Chad Staus, Thomas Kuech, and Leon McCaughan, Opt. Express, 2008, Vol. 16, No. 17, p. 13296].

Научная новизна защищаемых положений и других результатов работы

1. Новизна первого защищаемого положения состоит в экспериментальной реализации квазисинхронной волноводной генерации второй гармоники лазерного излучения на периодических доменных структурах, созданных электронным пучком в планарных волноводах Ti:LiNb03 и Zn:LiNb03, сформированных на подложках Х- и Y- среза для накачки с длиной волны 1053 нм.

2. Новизна второго защищаемого положения заключается в том, что предложенная теоретическая модель распределения нелинейного коэффициента по глубине волноводного слоя для поверхностной периодической доменной структуры учитывает влияние на эффективность квазисинхронной волноводной ГВГ параметров планарного диффузионного волновода и локализацию переполяризованной области.

3. Новизна третьего защищаемого положения состоит в выявлении зависимости эффективности квазисинхронной генерации излучения терагерцевого диапазона на разностной частоте в виде волноводной ТЕ-моды от конфигурации щелевой симметричной структуры, состоящей из двух пластин У-среза, на которых сформированы планарные волноводы Ti:LiNbO,, и в которых распространяются оптические волны накачки в виде волноводных ТЕ-мод.

Научная ценпость

1. Экспериментальная реализация квазисинхронной волноводной генерации второй гармоники лазерного излучения для накачки с длиной волны 1053 нм демонстрирует возможность наблюдения различных нелинейных оптических эффектов при взаимодействии световых пучков на периодических и регулярных доменных структурах, созданных электронным пучком в планарных волноводах Ti:LiNb03 и Zn:LiNb03, сформированных на подложках Х- и У- среза.

2. Предложенная модель распределения нелинейного коэффициента по глубине волноводного слоя для поверхностной периодической доменной структуры качественно объясняет экспериментально наблюдаемые различия в эффективности различных процессов взаимодействия мод ТЕ] + ТЕ] —> ТЕР в планарных волноводах Т1:1л1ЧЬОз на таких структурах, созданных электронным пучком.

Научная ценность работы подтверждена присуждением автору стипендии Президента Российской Федерации на 2010-2011 гг. и стипендии Правительства Российской Федерации на 2011-2012 гт. для аспирантов за комплекс научных работ по тематике диссертации.

Практическая значимость защищаемых положений и других результатов работы

Практическая значимость первого защищаемого положения заключается в доказательстве возможности использования процессов волноводной генерации второй гармоники лазерного излучения в планарных волноводах 'П:1л№>Оз и 2п:1л№>03> сформированных на подложках Х- и Г- среза, на созданных в них электронным пучком поверхностных периодических доменных структурах с заданными параметрами.

Практическая значимость третьего защищаемого положения заключается в возможности уменьшения размеров волноводных элементов, приводящей к удешевлению нелинейного элемента для генерации терагерцевого излучения.

Определенные в диссертационной работе условия визуализации сформированных электронным пучком поверхностных периодических доменных структур позволяют реализовать их неразрушающий контроль как в пластинах нелегированного 1лМЮ3 Х- и Г- срезов, так и в планарных волноводах, созданных в таких пластинах.

Внедрение результатов работ и рекомендации по их использованию

Результаты были использованы при выполнении следующих проектов, руководителем которых являлся непосредственно автор: 1) грант по программе «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере на 2009 - 2011 годы «Исследование и разработка технологии создания планарных периодических доменных структур, сформированных электронным лучом на подложках У-среза ниобата лития для нелинейного преобразования частоты лазерного излучения» (договор № КР 50_/09 от 20.02.2009 г.); 2) ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры иннов. России» на 2010-2014 годы (ФАНИ, ГК № 14.740.11.1162 от 09 июня 2011 г. "Микроскопия оптических изображений периодических и фотонно-кристаллических структур и неоднородностей материальных параметров в нелинейных кристаллах и волноводах на их основе").

Кроме того, результаты диссертационной работы использовались на кафедре Электронных приборов Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники при проведении плановых и инициативных научно-исследовательских работ по гранту РФФИ № 12-02-90038-Бел_а «Анализ закономерностей взаимодействия световых пучков на

динамических голограммах в кубических фоторефракгивных кристаллах и волноводных периодически поляризованных структурах на ниобате лития для обеспечения высокочувствительных адаптивных интерферометрических измерений» (2012-2013 годы).

Созданные экспериментальные установки используются в Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники в исследованиях генерации второй гармоники на периодических доменных структурах в кристаллах ниобата лития. Акт об использовании диссертационных результатов приведен в Приложении Л к диссертации.

Апробация работы

Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Topical Meeting: Photorefractive Materials, Effects, and Devices Control of Light and Matter (Германия, 2009 г.); 2nd International Meeting On Materials For Electronic Applications, IMMEA2009 (Тунис, 2009 г.); IMF-ISAF-2009, 12th international meeting on ferroelectricity (IMF-12) & 18th IEEE international symposium on the applications of ferroelectrics (ISAF-18),(Китай, 23-27 августа

2009 г.); Third International Symposium Micro- and Nano-scale Domain Structuring in Ferroelectrics, (13-18 сентября 2009 г., Екатеринбург); APCOM'2009, Asian-Pacific Conference on Fundamental Problems of Opto and Microelectronics, (Владивосток, 14-17 сентября 2009 г.); VI международной конференции молодых ученых и специалистов «0птика-2009» (Санкт-Петербург, 19-23 октября 2009 г.); The International Conference on Coherent and Nonlinear Optics (ICONO) and the Lasers, Applications, and Technologies (LAT) conference. (Казань, август 2010 г.); VI международной конференции «Фундаментальные проблемы оптики - 2010». (Санкт-Петербург, 19-23 октября 2010 г.); 5th EOS Topical Meeting on Advanced Imaging Techniques (AIT 2010), (Швейцария, июль

2010 г.); Научно-технической конференции-семинаре по фотонике и информационной оптике «Научная сессия НИЯУ МИФИ-2011.» (Москва, январь 2011 г.); ХП1 Всероссийской школы-семинара «Физика и применение микроволн» («Волны-2011») (Москва, май 2011 г.); XII Международной конференции "Физика диэлектриков" (ДИЭЛЕКТРИКИ - 2011) (23-26 мая 2011 г., Санкт-Петербург); Asia-Pacific Conferences on "Fundamental Problems of Opto- and Microelectronics (АРСОМ)" (Москва - Самара 2011 г.); First Euro-Mediterranean Meeting on Functionalized Materials "EMM-FM20H" (Тунис, сентябрь 2011 г.).

Публикации

Основные результаты диссертации изложены в 14 публикациях: в 4 статьях, входящих в Перечень ВАК РФ, одном патенте, 3 статьях в индексируемых зарубежных журналах, 6 публикациях в сборниках трудов Международных конференций.

Личный вклад диссертанта

В диссертации использованы только те результаты, в получении которых автору принадлежит определяющая роль. Опубликованные работы написаны в соавторстве с членами научной группы. В совместных работах с Л.С. Коханчик, М.В. Бородиным, Н.И. Буримовым, Т.Р. Волк, Л.Я. Серебренниковым,

Д.О. Анисимовым, С.А. Смычковым, В.В. Козиком, С.А. Кузнецовой диссертант принимал участие в моделировании, расчетах; в создании экспериментальных установок; в проведении экспериментов по диффузионному формированию планарных волноводов и определению их параметров, по волноводной ГВГ и визуализации поверхностных ПДС; в обсуждении и интерпретации результатов. Постановка задач исследований осуществлялась научным руководителем.

Структура, объем и содержание диссертации

Диссертация состоит из Введения, четырех глав, Заключения, списка литературы и Приложения. Полный объем диссертации - 153 страниц, включая 42 рисунка и 6 таблиц. Список литературы содержит 115 наименований.

Содержание работы

Введение

Во введении дается обоснование актуальности темы диссертации, формируется цель работы и выносимые на защиту основные научные положения. Определена научная новизна и практическая значимость полученных результатов, кратко излагается содержание диссертации по главам.

Первая глава является обзорной и посвящена нелинейно-оптическим эффектам в волноводных и периодических доменных структурах, сформированных в сегнетоэлектрических кристаллах ниобата лития, а также исследованиям по распространению света в планарных волноводах, формированию диффузионных оптических волноводов в кристаллах ниобата лития, визуализации периодических доменных структур.

В подразделах 1.1 — 1.3 представлены основные уравнения и соотношения, необходимые для анализа распространения ТЕ- и 7М-мод в планарных волноводах, рассмотрено распространение 7М-мод в щелевой волноводной структуре и поля Г£-мод в градиентном волноводе с профилем показателя преломления Ап(Е) ~ ch~:c.

В подразделе 1.4 рассмотрены вопросы, связанные с влиянием легирования на характеристики объемного кристалла ниобата лития, в частности, на фоторефрактивные свойства и оптическое повреждение, а также представлены сведения из работ, посвященных диффузионной технологии изготовления планарных оптических волноводов Ti:LiNb03 и ZniLiNbC^.

В подразделе 1.5 представлены результаты исследований, посвященных эффекту генерации второй гармоники на периодических доменных структурах в ниобате лития. Рассмотрены условия синхронизма и квазисинхронизма для ГВГ в объемных кристаллах и на ПДС, соответственно, и обсуждены преимущества квазисинхронизма по сравнению с обычным фазовым синхронизмом. Приведены сведения по работам, посвященным изготовлению периодических доменных структур в объемных образцах ниобата лития. Сделан вывод о перспективности использования ПДС для реализации нелинейно-оптических и модулирующих устройств как в объемных образцах ниобата лития, так и в оптических волноводах на его основе.

Описанию результатов работ по нелинейным спектральным преобразованиям в оптических волноводах на ниобате лития, в частности, по генерации второй гармоники в планарных волноводах при наличии фазовой расстройки, посвящен подраздел 1.6. Здесь введено определение эффективного коэффициента нелинейной оптической восприимчивости второго порядка с/^' для взаимодействия ТЕ„ - ТЕР и отмечены условия, при которых этот коэффициент характеризует его эффективность в режиме квазисинхронизма.

В подразделе 1.7 представлено описание различных методов визуализации периодических доменных структур. Отмечено, что для развития представлений о сегнетоэлектричестве и для контроля записанных доменных структур, их визуализация представляется необходимой и важной задачей. Наиболее подробно рассмотрен метод микроскопии генерации второй гармоники, который является неразрушающим и просто реализуемым для визуализации доменных структур в кристаллах ниобата лития. Он не требует для своей реализации особого дополнительного оборудования и позволяет получить изображения доменных структур с высоким пространственным разрешением.

В подразделе 1.8 на основе проведенного в первой главе анализа литературы сформулированы основные задачи диссертационной работы.

Втопая глава посвящена исследованию поверхностных ПДС, созданных в подложках У- и Х-срезов 1лЫЮз и в волноводных структурах ТкГлМЮз У-среза путем локальных дискретных облучений поверхности электронным пучком, нормальным полярной оси X.

Технология изготовления планарных оптических волноводов "П:1лМЬ03, использовавшихся в экспериментальных исследованиях, кратко описана в подразделе 2.1. Для формирования планарных волноводов "П:1лЬтЬО, использовались оптически полированные пластины У-среза из конгруэнтного ниобата лития с размерами. На две из них вакуумным термическим напылением были нанесены пленки "П с толщиной 80 нм. Волноводные структуры формировались методом высокотемпературной диффузии в воздушной атмосфере.

В подразделе 2.2 представлены результаты определения параметров профиля показателя преломления полученных волноводных структур с использованием измеренных на длинах волн X = 526,5, 623,8 и 1053 нм спектров эффективных показателей преломления волноводных мод и показателя преломления подложки Nts(X) и его аппроксимации функцией

К (у, X) = (X) + 8N«0.) = АГ„ (л)+ДЛг,(/.)/сЬ-(V / А), (1)

где ДЛ^дХ) - приращения показателя преломления на поверхности волновода с учетом дисперсии и /?=3.085 мкм - эффективная толщина волновода, считавшаяся одинаковой для всех длин волн. Установлено, что полученные волноводы поддерживают распространение двух мод ТЕ-поляризации в ИК-диапазоне и пяти ТЕ-мод в зеленой области спектра. Проведенное в подразделе 2.3 сравнение профилей приращения показателя преломления в виде функции

Ьп(у/И) ~ сЬ~2(у/7;) и функции Гаусса 8Мп{у) = Д#чехр(-_у2/б2) с параметрами ДЛ^ = 0,0195 и Ь = 3,46 мкм на длине волны 632,8 нм (рис. 1) позволило ввиду их близости аппроксимировать профиль концентрации С„т примеси "П для полученных ранее волноводов (рис. 2) с использованием их линейной связи =Са/пс1пг/е]С11 [1]. Это позволило оценить значение максимальной концентрации "П в волноводном слое, как С,„п = 6,47.«ол%.

Аналитические выражения для распределения полей мод ТЕ\ — ТЕ$ в волноводе с профилем показателя преломления, описываемым функцией (1), используемые далее при анализе эффективности волноводной ГВГ на поверхностных ПДС в подразделе 2.10, получены в подразделе 2.4. Рассчитанные с использованием этих выражений, а также известного соотношения для моды ТЕа [2] нормированные распределения полей мод ТЕ0 - ТЕ± для исследуемых планарных волноводов "П:1лМ)Оз на длине волны второй гармоники (Х2ш=526,5 нм) и длине волны накачки (Хи=1053 нм) приведены на рис. 3 и 4, соответственно.

В подразделе 2.5, посвященном описанию методики формирования периодических доменных структур, на основании экспериментально измеренных спектров эффективных показателей преломления мод двух волноводов "П:1л№)Оз на длинах волн 1053 и 526,5 нм (подраздел 2.2), представлены результаты расчета пространственных периодов таких ПДС, обеспечивающих квазисинхронную волноводную ГВГ. Получено, что для сформированных волноводов необходимы доменные структуры с пространственным периодом от 5,9 до 7,5 мкм. Формирование ПДС с такими периодами проводилось Л.С. Коханчик в ИПТМ РАН на растровом электронном микроскопе (РЭМ) 1БМ-840А с дополнительно встроенной программой ЫапоМакег, позволяющей управлять электронным лучом при рисовании по поверхности и контролировать дозы облучения, в пластинах У-среза нелегированного 1л№>03 и в двух описанных выше волноводах ТШМЮ3.

В подразделе 2.6 описаны полученные Л.С. Коханчик результаты по особенностям формирования электронным пучком ПДС на 7-срезе нелегированного ниобата лития и исследованию глубины локализации доменов методом химического травления. Ею было установлено, что наиболее совершенные поверхностные ПДС формируются при перемещении луча в направлении +2, а для описанных ниже оптических исследований методом микроскопии ГВГ были изготовлены ПДС путем перемещения электронного луча в направлениях как + 2, так и -2, с использованием доз Б = 800-1100 мкКл/см2, оптимальных для формирования структур такого типа. Полученные Л.С. Коханчик потенциальные изображения ПДС показали, что их латеральные размеры превышают размеры зоны облучения, а конечная часть состоит из доменов, образовавшихся после нанесения последнего ряда дискретных облучений, и имеет полуовальную форму.

Рисунок 1 - Профили приращения необыкновенного показателя преломления волновода 1л№>Оз:'П на длине волны 632,8 нм: профиль лл',/сЬ20>/Л) при 0,0201 и Л = 3,085 мкм (сплошная линия) и гауссов профиль при дл^ = 0,0195 и Ъ = 3,46 мкм (штрихпунктирная . линия)

Рисунок 2 - Распределение концентрации Тл по глубине волноводного слоя

Рисунок 3 - Распределение полей мод второй гармоники (Х=526,5 нм) по глубине волновода "П:1лМ>03 с профилем показателя преломления, определяемым формулой (1), при длг, = 0,0218 и/г = 3,085 мкм

Рисунок 4 - Распределение полей мод волны накачки (А=1053 нм) по глубине

волновода Тг.ЫМЬСК с профилем показателя преломления, определяемым формулой (1), при длг,= 0,0179 и /; = 3,085 мкм

Особенности формирования поверхностных ЦДС электронным пучком в двух исследованных выше в подразделах 2.1 - 2.3 планарных волноводах "П:1л№Юз У-ориентации, выявленные Л.С. Коханчик в результате серии последовательных химических травлений одного из этих образцов, описаны в

[

подразделе 2.7. Ею было установлено, что доменная структура формируется на глубине 7-8 мкм от поверхности, то есть в области низкой концентрации Тл, а для получения ПДС с достаточной шириной доменов необходимо увеличение дозы облучения до 2000 мкКл/см". Длина и совершенство доменных решеток в планарном волноводе ТкИлМЮз, так же, как и в нелегированном 1лМЮз, существенно зависели от направления перемещения электронного луча вдоль оси Т. Для оптических исследований ПДС, результаты которых представлены ниже в подразделах 2.8 и 2.9, в одном из волноводов Л.С. Коханчик были сформированы располагающиеся в два ряда вдоль оси X доменные решетки двух типов - при движении электронного луча в направлении + 2, и при его обратном движении к —X, с дозами В = 2000-2200 мкКл/см2 и периодами от 5,9 до 7,5 мкм.

Результаты экспериментов по визуализации методом микроскопии ГВГ планарных (поверхностных) ПДС, сформированных Л.С. Коханчик электронным пучком по описанной выше в подразделе 2.2 технологии в нелегированных подложках Ь1МЮ3 У- и Х-срезов, представлены в подразделе 2.8. Эксперименты проводились на разработанном автором совместно с М.В.Бородиным универсальном испытательном стенде, в котором использовался твердотельный лазер с длиной волны накачки 1053 нм, длительностью импульсов 10 не и их энергией 200 мкДж. Для формирования изображения ПДС на длине волны второй гармоники использовались светофильтры; микрообъективы с увеличением 3.7х, 8*, 20*, либо фотообъектив «Гелиос-44-2»; пространственный фильтр и видеоокуляр БСМЗЮ с ПЗС-матрицей, имеющей размер 1/2" и разрешение в 3 мегапикселя. В результате были получены фотографические изображения как образцов с ПДС, так и отдельных ПДС и их фрагментов, которые позволили определить их форму, параметры и качество. Изображение отдельной планарной ПДС с пространственным периодом 6,7 мкм, сформированной при дозе 800 мкКл/см2 в нелегированном ниобате лития неполярного Х-среза, представленное на рис. 5, получено с микроскопическим объективом 8х. Оно отображает ее форму, существенно отличающуюся от прямоугольной, в то время как перемещение электронного пучка при формировании структуры проводилось именно по прямоугольной сетке. Такая же полуовальная форма верхней части ПДС, формирование которой происходило без сканирования по ней электронного пучка, свидетельствующая об индуцированной периодической переполяризации поверхностной области кристалла полем удаленных от нее на заметное расстояние электрических зарядов, создающих исходные домены, отображалась и на потенциальном изображении ПДС, наблюдаемом ранее Л.С. Коханчик на полярном У-срезе (см. выше подраздел 2.6).

Типичное изображение фрагмента планарной ПДС, полученное с микроскопическим объективом с увеличением 20", иллюстрируется рисунком 6. Наилучшее соответствие пространственного периода структуры задаваемому перемещением электронного пучка имеет место в правой нижней части ПДС. Из фотографии следует, что в некоторых облучаемых областях подложки

формируются планарные домены и с меньшим пространственным периодом, чем это задается перемещением электронного пучка.

Рисунок 6 - Изображение отдельной ПДС, сформированной при дозе 800 мкКл/см", с пространственным периодом 6,7 мкм, полученное методом микроскопии второй гармоники с помощью микрообъектива 20" и цифрового видеоокуляра ОСМ-ЗЮ

Результаты экспериментов по визуализации созданных электронным пучком планарных ПДС в волноводах ТгЬлМЬСЬ представлены в подразделе 2.9. Совершенство доменных решеток, сформированных в планарном волноводе Т^ГлМЬОз, описанном выше в подразделах 2.1-2.4 и 2.7 по технологии, рассмотренной в подразделе 2.5, оценивалось при наблюдении распространения слабого волноводного пучка (X =632,8 и 532 нм) в направлении оси X вдоль отдельных рядов, составленных из таких структур. В одном из этих рядов, где доменные решетки были сформированы путем перемещения электронного луча в направлении -2, происходило сильное рассеяние света в /»-линии для возбуждаемых волноводных мод и в излучательные моды, обусловленное прерывистой структурой планарных ПДС. Благодаря рассеянию в излучательные моды такие ПДС хорошо визуализировались и могли наблюдаться с помощью оптического микроскопа. Напротив, в структурах, образованных при перемещения записывающего луча в оптимальном направлении +2, эффекты рассеяния были значительно ослаблены.

В экспериментальных исследованиях волноводной ГВГ на планарных ПДС в качестве накачки использовалось излучение импульсного лазера с X = 1053 нм, длительностью импульсов 10 не и частотой повторения 1 кГц. ГВГ наблюдалась при возбуждении в волноводе пучка накачки как на моде ТЕо, так

Рисунок 5 - Изображение отдельной планарной ПДС, сформированной при дозе 800 мкКл/см" и с пространственным

периодом 6,7 мкм, в нелегированном ниобате лития X-

среза, полученное методом микроскопии второй гармоники с помощью микрообъектива 8* и цифрового видеоокуляра ЭСМ-ЗЮ

и на моде ТЕ\. При этом с помощью призмы из волновода выводилось излучение с X = 526,5 нм в виде «/-линий на модах ТЕ0-ТЕ4, имеющих различную интенсивность. При распространении пучка накачки через ряд «прерывистых» ППС, созданных при движении электронного луча в направлении -Z, рассеяние в ///-линии было очень сильным. В этом случае сами структуры хорошо визуализировались на длине волны второй гармоники благодаря ее сильному рассеянию в излучательные моды. Кроме того, при этом наблюдалось ГВГ в излучательные моды подложки по механизму Вавилова-Черенкова. При распространении пучка накачки через ряд ПДС, созданных при движении электронного луча в направлении +Z, в выводимых на второй гармонике /»-линиях четко выделялась центральная часть, а рассеянное излучение было достаточно слабым. Высокая однородность таких ПДС не позволила наблюдать их в оптический микроскоп, ввиду незначительного рассеяния второй гармоники в излучательные моды.

В подразделе 2.10 представлены результаты анализа эффективности волноводной ГВГ на созданных электронным пучком поверхностных ПДС в волноводе Ti.LiNbO,, сформированном на подложке У-среза. В проведенных экспериментах по измерениям мощности выводимого из выходной призмы излучения накачки и второй гармоники было получено, что максимальная эффективность наблюдается для процесса взаимодействия ТЕ\+ТЕ\—>ТЕ), когда пучок накачки на моде ТЕ[ распространялся по исследуемому волноводу Ti:LiNbOi через ряд высокооднородных ПДС. При энергии импульсов накачки 200 мкДж, имеющих длительность 10 не, она составила 8,8 %. Теоретическим оценкам фазовой расстройки от условий квазисинхронизма для экспериментально исследованных процессов взаимодействия в волноводе Ti:LiNb03 посвящен п. 2.10.1. Получено, что максимальная эффективность волноводной квазисинхронной ГВГ экспериментально наблюдается для процесса, не характеризующегося минимальной фазовой расстройкой. Это связано с тем, что на эффективность волноводной ГВГ существенное влияние оказывает перекрытие распределений для наводимой модой накачки нелинейной поляризации и для светового поля генерируемой моды, соответствующей второй гармонике.

Для проведения количественного анализа интегралов перекрытия для различных процессов взаимодействия TEj + TEj —> ТЕР при квазисинхронной волноводной ГВГ в рассматриваемом волноводе Ti:LiNb03 на подложке У-среза в п. 2.10.2 предложено использовать в качестве модели профиля поперечного распределения нелинейного коэффициента следующую прямоугольную функцию:

где с1,,(г - эффективный нелинейный коэффициент для сформированной электронным лучом поверхностной ПДС. Параметр Д в данной модели характеризует размер переполяризованной области вдоль оси у и был выбран для проведения дальнейшего численного анализа равным половине

(2)

пространственного периода ПДС, Л=3,5 мкм. Полагалось также, что у0 является варьируемой в пределах от 0 до 15 мкм величиной, которая определяет минимальную глубину, на которой внедренный электронным пучком электрический заряд вызывает локальное изменение знака спонтанной поляризации в исследуемой планарной структуре Тл:1лМЬОз.

В п. 2.10.3 проведен численный анализ интегралов перекрытия с использованием в качестве модели профиля поперечного распределения нелинейного коэффициента прямоугольной функции (2). Влияние перекрытия полей волноводных мод и распределения коэффициента (>•) на эффективность квазисинхронной ГВГ в исследуемом волноводе "П:1лНЬО? при различных процессах взаимодействия ТЕ) + ТЕ, —> ТЕР оценивалось по параметру перекрытияс5и.0-'о) = ^(>'о)/а',у> гДе ^(у0) - введенный в подразделе 1.6 эффективный коэффициент нелинейной оптической восприимчивости второго порядка. Результаты численного анализа этого параметра от минимальной глубины у0 локализации поверхностной ПДС с использованием распределений полей волноводных мод для пучка накачки (рис. 4) и второй гармоники (рис. 3) представлены на рис. 6. Получено, что при локализации планарной ПДС в непосредственной близости к границе волновода с покровной средой с наибольшей эффективностью в рассматриваемом волноводе могут быть реализованы процессы взаимодействия ТЕо + ТЕо —* ТЕо (6оо~0,7 при >'о<0,7 мкм) и ТЕи + ТЕ0 —* ТЕ\ (5ю~0,65 при уа< 1,6 мкм). При минимальной глубине у0 от 1 до 3,8 мкм хорошей эффективностью характеризуется взаимодействие ТЕ\ + ТЕ 1 —► ТЕз (6з1~0,3). Дальнейшее увеличение у0 приводит к тому, что наиболее эффективным становится процесс взаимодействия ТЕ1 + ТЕ\ —> Г£4.

а 6

Рисунок 6 - Зависимость параметра перекрытия Зр: от минимальной глубины >'о для различных процессов волноводной ГВГ ТЕ) + ТЕ) —* ТЕР в волноводе Т1:Ь1]МЪОз с параметрами, приведенными в подписях к рис. 3 (А,=526,5 нм) и 4 (Х,= 1053 нм): а- для у =0 и р=0,1,2, 3,4; б-для) =1 и р=0, 1, 2, 3, 4 Зависимости некоторых параметров перекрытия ¿>й(0'0) в данном волноводе для локализации ПДС на минимальной глубине у0 в диапазоне от 5 до 10 мкм представлены на рис. 7.

1 \

\

"А V \ «4,

\

А,

... -бт 4, Ч- ....

Рисунок 7 - Зависимость параметра перекрытия от минимальной глубины у0 в диапазоне от 5 до 10 мкм для различных процессов волноводной ГВГ ТЕ) + ТЕ) —» ТЕР в волноводе Тк1лНЮ3 для у =0 ир= 3, 4, и для у =1 шр= 2, 3, 4

При локализации ПДС на глубине у0, составляющей более б мкм (рис. 7), наиболее заметной эффективностью характеризуются процессы взаимодействия ТЕ\ + ТЕ] —* ТЕ4 и ТЕ1 + ТЕ] —» 7Е3. Хотя расчеты по рассмотренной модели предсказывают для данного волновода Тк1лМЮ3 максимальное значение интеграла перекрытия для процесса ТЕ\ + ТЕ] —> ТЕ4, экспериментально максимальная эффективность волноводной ГВГ, как отмечалось выше, наблюдалась при взаимодействии ТЕ] + ТЕ] —> Г£3. Наблюдаемые различия в экспериментальных данных и проведенных теоретических оценках могут быть обусловлены в первую очередь тем, что эффективность призменного вывода для волноводной моды ТЕ4, близкой к отсечке, должна быть существенно меньшей, чем для моды ТЕЪ.

Таким образом, разработанная в подразделе 2.10 методика анализа эффективности волноводной ГВГ на поверхностных ПДС позволяет учесть влияние не неё различных параметров планарного диффузионного волновода и локализацию переполяризованной области на некоторой глубине в волноводном слое. Проведенные на её основе оценки показывают, что эффективность нелинейного преобразования частоты в режиме квазисинхронизма на пленарных ПДС в волноводах, сформированных диффузией титана в подложки Г-среза ниобата лития, может быть существенно повышена при оптимизации параметров волноводного слоя и пространственного периода ПДС для требуемого процесса взаимодействия мод ТЕ, - ТЕ. 77:;,.

Третья глава диссертации посвящена исследованию периодических доменных структур, сформированных электронным лучом в планарных волноводах 7пТлНЬ03 У- и ^-ориентации, представляющих интерес для реализации нелинейных и управляющих элементов, в связи с их потенциально высокой стабильностью параметров.

В подразделе 3.1 представлены результаты разработки защищенной патентом на изобретение технологии формирования волноводных систем Zn:LiNb0.1, использующей нанесение пленок ZnO на подложку ЬПЧЮз методом синтеза из пленкообразующих растворов, разработанный С.А. Кузнецовой и В.В. Козиком, и процесс высокотемпературной диффузии, технологические параметры которого исследовались автором совместно с С.А. Смычковым, Н.И. Буримовым и М.В. Бородиным. Её использование позволило создать более 15 образцов 2п:1лМЪОз на подложках У- и ^-срезов, часть из которых поддерживала распространение волноводных мод на дчине волны 1053 нм и могла использоваться для формирования на них поверхностных ПДС электронным пучком. В проведенных экспериментах варьировались такие параметры, как толщина пленки ZnO, время и температура диффузии.

Результаты экспериментального изучения оптических характеристик подложек 1л№>03 и структур гп:1лМЮ3 на разных этапах формирования планарных волноводов представлены в подразделе 3.2. С помощью спектрофотометра СФ-56 были измерены спектры пропускания образцов. Это позволило оценить оптическую однородность и качество пленок, из которых осуществлялась диффузия Zn в кристаллические подложки ниобата лития. Кроме того, для контроля пленок ZllO, нанесенных на подложку, использовался метод оптической микроскопии, позволяющий выявить их структуру и дать визуальную оценку их однородности по поверхности подложки.

В подразделе 3.3 представлены результаты исследований волноводных характеристик сформированных структур 2п:1лМЮз. Здесь измерялись, во-первых, спектры эффективных показателей преломления волноводных мод и показатель преломления подложки стандартным методом призменного ввода-вывода излучения с использованием лазеров с длинами волн 526,5, 632,8 и 1053 нм. Во-вторых, автором совместно с М.В. Бородиным было экспериментально установлено, что импульсное излучение с длиной волны 1053 нм при некоторых углах ввода в волновод вызывает эффект ГВГ, обусловленный как несинхронным волноводным процессом, когда возбуждаемая ТЕ-мода ИК-диапазона является волной накачки, так и процессом, при котором наводимая при отражен™ волны накачки от границы раздела призмы ввода с поверхностью волновода нелинейная поляризация находится в синхронизме с волноводной модой на частоте второй гармоники. Данная методика позволяет определять спектр эффективных показателей преломления волновода сразу для двух длин волн (1053 нм и 526,5 нм) при использовании излучения с единственной длиной волны 1053 нм.

Для одного из волноводов Zn:LiNЪOз, сформированного в подложке X-среза из пленки ZnO с толщиной 120 нм диффузией при температуре 1050 °С в течение двух часов, поддерживающего распространение трех ТЕ-мод на длине волны А. = 526,5 нм, двух ТЕ-мод для 1=633 нм, а также двух ТЕ-мод при 1 = 1053 нм, была проведена оценка распределения интенсивности выводимого излучения с "к = 526,5 нм в наблюдаемых /»-линиях. Получено, что данная волноводная структура обладает приемлемым качеством и может быть

использована для реализации различных упраатающих и нелинейных устройств интегральной оптики.

В подразделе 3.4 описаны полученные Л.С. Коханчик результаты по особенностям формирования электронным пучком поверхностных ПДС в рассмотренных выше волноводах 7,п:Гд]ЧЬ03. Ею установлено, в частности, что глубина залегания доменов составляла здесь от 2 до 2,5 мкм, что единичные домены росли из области облучения в направлении оси кристалла параллельно поверхности, а пороговые дозы переключения поляризации в исследованных областях не являлись одинаковыми и в разных частях волновода 7п:Ь11\гЬ0;1 составляли от 250 до 700 мкКл/см*. В результате проведенных экспериментов доменные структуры с периодами от 4,7 до 7,25 мкм были сформированы электронным пучком в нескольких волноводах 7п:1л1ЧЬОз на Х- и У- срезах. Из анализа изображений ПДС, сформированных в описанном выше в подразделе волноводе 2п:1лЫЬОз, полученных Л.С. Коханчик в сканирующем электронном микроскопе и автором методом микроскопии ГВГ, установлено, что и в этом случае ПДС имеют типичные полуовальные края, но не являются такими же пространственно регулярными по периоду, как в нелегированном Ьй%03.

С использованием метода микроскопии ГВГ, описанного выше в подразделе 2.8, в подразделе 3.5 реализована визуализация планарных ПДС, сформированных электронным пучком в планарных волноводах 2п:1лМэ03. Примеры фотографических изображений таких ПДС, полученных автором совместно с М.В. Бородиным, представлены на рис. 8.

Рисунок 8 - Изображение области кристалла с поверхностными доменными структурами, записанными в волноводе 2п:1лМЬ05 Х-среза (см. подраздел 3.3), полученное методом микроскопии второй гармоники с помощью микрообъектива 8х и цифрового видеоокуляра ВСМ-310: а-доменная структура с пространственным периодом А=6,54 мкм, сформированная при дозе 1000 мкКл/см2; б - доменные структуры с пространственными периодами Л=6,61 мкм и дозами облучения 900 (верхняя ПДС) и 1000 мкКл/см2 (нижняя ПДС)

Они были получены на длине волны 526,5 нм на фоне несинхронной генерации второй гармоники в описанном выше в подразделе 3.3 образце 2п:1Л1ЧЬО:!, в котором были созданы одиннадцать ПДС с пространственными периодами А от 6,54 до 6,74 мкм при дозах облучения электронным лучом, составляющих 900 и 1000 мкКл/см'.

В подразделе 3.6 представлены результаты визуализации планарных ПДС по методике, описанной выше в подразделе 2.9, при ГВГ в волноводах 7п:1л№>03, сформированных электронным пучком в образцах А"-среза. При волноводном пучке накачки на моде ТЕ0 с апертурой около 0,8 мм, распространяющемся вдоль оси У, в визуализированном изображении ПДС на второй гармонике наблюдалась модуляция интенсивности вдоль 2-направления, которая может быть обусловлена межмодовой интерференцией световых полей мод ТЕо, ТЕ\ и ТЕ?, некоторая суперпозиция которых генерируется на частоте второй гармоники на исследованных планарных ПДС. Полученные результаты позволили сделать вывод о возможности использования данного метода, как для оценки качества полученных ПДС, так и для исследования различных эффектов, сопровождающих волноводную ГВГ на таких структурах.

Четвертая глава посвящена теоретическому анализу генерации излучения терагерцевого диапазона при нелинейном преобразовании света в симметричной щелевой волноводной структуре, состоящей и двух пластин ПМЮз У-среза, разделенных воздушным зазором а и имеющих толщину Ь.

В подразделе 4.1 рассмотрено волноводное распространение электромагнитных ГЕ-волн вдоль оси х структуры, получено дисперсионное уравнение, которое использовалось для проведения расчетов значений эффективных показателей преломления поддерживаемых ею ГЕ-мод, а также аналитические выражения, описывающие поперечное распределение электрического поля для четных ТЕ-мод ТГц диапазона. Показано, что в структуре с толщиной пластин Ь = 30 мкм и зазором а = 3 мкм могут возбуждаться две чётные моды, ТЕ0 и ТЕг, а при ¿=15 мкм, а = 3 мкм она поддерживает распространение только основной моды ТЕо. Проведены расчеты поперечных распределений поля Е}. (у) для моды ТЕ0, возбуждаемой на частоте 1 ТГц в структуре с пластинами, имеющими толщины Ь = 30, 22.5 и 15 мкм. Для последнего значения Ъ это распределение показано на рис. 9.

Получено, что вблизи границ пластин в щелевом зазоре, для которых предполагается наличие титан-диффузионных оптических волноводов (при у = ±1,5 мкм), значения электрической напряженности ТГц поля близки к максимальным.

В подразделе 4.2 рассмотрена эффективность нелинейного преобразования в Г£-волну разностной частоты ТГц диапазона при распространении оптических Г£-волн накачки в волноводах Т1:1лЫЬ03 щелевой симметричной структуры. В предположении возбуждения каждой из Т1:1л№>03 структур и ТГц волновода на одной из ГЕ-мод (не обязательно одинаковых), автором, совместно с С.М. Шандаровым и М.В. Бородиным, её эффективность получена в следующем виде:

®лео(й0/е0)'! " [| [К Е^Е'.Е}.с/ус/г

11£,.|: с1уск ■ |У|£3_|: <}ус1г

х(ехр(-2сс;£) - 2ехр(-а3£)со5(Др£) + 1). ^

Здесь Др = Р, — р, — р_, — фазовая расстройка для постоянных распространения |3,„ взаимодействующих оптических и ТГЦ волн с номерами т= 1, 2 и 3, соответственно; I - длина взаимодействия; Ет. и Нт - модовые распределения поперечных компонент электрического и магнитного полей волн, нормированные в соответствии с соотношением (1/2)||Ке[(Д„_.хЯ*г)]-Л>'йЬ = 1 Вт; ./V,,, - эффективные показатели преломления

взаимодействующих мод; аг, - коэффициент поглощения ТГц моды по амплитуде; с- эффективный нелинейный коэффициент ниобата лития. В режиме квазисинхронизма в выражении (3) для эффективности преобразования нужно принять = 0, а также ввести в него дополнительный множитель (2/к)2 [3].

Рисунок 9 - Распределение электромагнитного поля для моды ТЕ0, возбуждаемой на частоте 1 ТГц в щелевой симметричной структуре, состоящей и двух пластин ЫМЬО, Г-среза, имеющих толщину 6=15 мкм и разделенных воздушным зазором <7 = 3 мкм

Для анализа эффективности преобразования г| была разработана методика численного расчета для взаимодействия мод ТЕо в рассмотренной выше структуре с пластинами в виде волноводов ТкЫМЬОз. В расчетах полагалось, что в этих пластинах созданы поверхностные ПДС, обеспечивающие выполнение условия квазисинхронизма; использовались значения параметров ниобата лития а3 = 1430 м"1 [4] и с/33 = 40,7 пм/В; ширина световых пучков вдоль оси г принималась равной 100 мкм, длина взаимодействия - Ь = 10 мм. Получено, что данная эффективность растет с уменьшением толщины пластин ТкЫМЪОз и достигает значения г| = 3,11x10"9 Вт"1 при Ъ = 15 мкм.

В Заключении еформулнрованы основные результаты диссертационной работы, сформулированы общие выводы, относительно выполненной работы.

В соответствии с поставленной целью и задачами исследования из диссертационной работы сделаны следующие выводы:

1. Проведены исследования оптических параметров и распределения концентрации "П для планарного оптического волновода 'П:[лМЬ03, сформированного методом высокотемпературной диффузии в воздушной атмосфере в пластинах У-среза из конгруэнтного ниобата лития, использованного далее для формирования в нем электронным пучком пленарных периодических доменных структур.

2. Получены аналитические выражения для распределения полей мод ТЕ\ - ТЕ4 в градиентном волноводе с профилем показателя преломления Ап(х) ~ с1Г2(х/Л). С использованием этих выражений и известного соотношения для мод ТЕ0 выполнены расчеты нормированных распределений световых полей для исследуемого планарного волновода ТгГлЫЬОз на длинах волн 1053 и 526,5 нм.

3. Разработан универсальный испытательный стенд для визуализации планарных ПДС методом микроскопии ГВГ. С его использованием проведены исследования по визуализации таких структур, сформированных электронным пучком в подложках 1л1ЧЪОз и в планарных волноводах 'П:ЫЫЬОз. Проведены исследования по визуализации планарных ПДС, сформированных электронным пучком в планарных волноводах ТгЫМЬОз, при волноводном распространении слабого пучка (X =632,8 и 532 нм) и при волноводной ГВГ с использованием пучка накачки от импульсного лазера с X = 1053 нм, длительностью импульсов 10 не, их энергией 200 мкДж и частотой повторения 1 кГц.

4. Проведены экспериментальные исследования эффективности волноводной ГВГ на поверхностных ПДС, созданных электронным пучком в волноводе ТкГлМэОз, сформированном на подложке У-среза. Получено, что максимальная эффективность в этом случае наблюдается для процесса взаимодействия ТЕ] +ТЕХ —»ТЕЪ и составляет 8,8% при энергии импульсов накачки 200 мкДж.

5. Предложена модель профиля распределения нелинейного коэффициента (_у) для планарных ПДС, сформированных электронным пучком в волноводе "П:1лМЬОз. С использованием данной модели разработана методика анализа эффективности квазисинхронной волноводной ГВГ на поверхностных ПДС для различных процессов взаимодействия ТЕ} + TEJ —► ТЕр, которая позволяет учесть влияние на неё параметров планарного диффузионного волновода и локализацию переполяризованной области на некоторой глубине в волноводном слое. Проведенные на её основе оценки показали, что эффективность нелинейного преобразования частоты в режиме квазисинхронизма на планарных ПДС в волноводах, сформированных диффузией титана в подложки У-среза ниобата лития, может быть существенно повышена при оптимизации параметров волноводного слоя и пространственного периода ПДС для требуемого процесса взаимодействия мод

ТЕ, + TEj —» ТЕ,,. Обнаружены различия в полученных экспериментальных данных для эффективности ГВГ в волноводе Т1:1л№Ю3 с параметрами профиля показателя преломления = 0,0201 (1=526,5 нм), =0,0179

(X = 1053 нм) и 1г = 3,085 мкм и в проведенных теоретических оценках, которые могут быть связаны с разными значениями эффективности призменного вывода для генерируемых волноводных мод ТЕР.

6. Отработана технология формирования волноводных структур гп:1лМЪ03 методом высокотемпературной диффузии из пленок ЪпО, полученных на подложках У- и А'-срезов синтезом из пленкообразующих растворов, защищенная патентом на изобретение. Определены параметры полученных волноводных структур путем измерения эффективных показателей преломления мод методом призменного ввода-вывода излучения на длинах волн 526,5; 632,8 и 1053нм. Изготовлены образцы волноводных структур 7п:ЫМЬ03 на подложках У- и ^-срезов ниобата лития, в которых методом локальных дискретных облучений поверхности электронным пучком были сформированы планарные ПДС с пространственными периодами от 4,7 до 7,25 мкм, предназначенные для реализации волноводной ГВГ при накачке на длине волны 1053 нм.

7. Предложен новый метод определения спектра эффективных показателей преломления волноводных мод на частоте накачки и второй гармоники при призменном возбуждении волновода лазерным пучком на длине волны накачки, заключающийся в измерении углов ввода, при которых в нем генерируется излучение второй гармоники как за счет волноводного несинхронного преобразования вида ТЕ1+ТЕ^ТЕР, так и благодаря наведенной вследствие туннельной связи нелинейной поляризации, синхронной с волноводными модами ТЕР для излучения второй гармоники.

8. Методом микроскопии ГВГ выполнена оценка качества сформированных в волноводах 7п:1ЖЮ3 электронным пучком пленарных ПДС, и показана возможность их использования в волноводных устройствах преобразования спектральных характеристик лазерного излучения.

9. Получены аналитические выражения, описывающие поперечное распределение электрического поля для четных ТЕ-мод ТГц диапазона в симметричной щелевой волноводной структуре, состоящей из двух пластин У-среза ТкиМЬО; с толщиной Ъ, разделенных воздушным зазором с размером <7 = 3 мкм. Получено, что вблизи границ пластин в щелевом зазоре, для которых предполагается наличие титан-диффузионных оптических волноводов (при V = ±1,5 мкм), значения электрической напряженности ТГц поля близки к максимальным.

10. Получено выражение для эффективности синхронного нелинейного преобразования в /¿'-волну разностной частоты ТГц диапазона при распространении оптических 77Г-волн накачки в волноводах Тц1лМЪ03 щелевой симметричной структуры. Проведен численный анализ эффективности преобразования г) при взаимодействии в рассматриваемой структуре ТЕо-мод. Получено, что данная эффективность растет с уменьшением толщины пластин

Ti:LiNbOi и достигает значения г| = 3,11х10"9 Вт"1 при b = 15 мкм, ширине световых пучков 100 мкм и длине взаимодействия 10 мм.

В Приложении содержатся документы об использовании материалов диссертации.

Список цитируемой литературы

1. Schmidt, R.V. Metal-difiiised optical waveguides in LiNb03 / R.V. Schmidt, I.P. Kaminow // Appl. Phys. Lett. - 1974. - V. 25, № 8. - P. 458-460.

2. Шандаров, B.M. Взаимодействия света с физическими полями в волноводно-оптических структурах в ниобате лития.: дис. ... д-ра физ.-мат. наук: 01.04.03: защищена 23.10.1997. - Томск, 1998. - 324 с.

3. Staiis, Ch., Kuech, Т., McCaughan, L. Continuously phase-matched terahertz difference frequency generation in an embedded waveguide structure supporting only fundamental modes // Opt. Express, 2008, Vol. 16, No. 17, p. 13296.

4. Takushima, Y., Shin, S.Y., Chung, Y.C. Design of a LiNbOj ribbon waveguide for efficient difference-frequency generation of terahertz wave in the collinear configuration // Opt. Express - 2007. -Vol. 15, No. 22. - P. 14783-14792.

Основные публикации по теме диссертации

Статьи в научных журначах, которые включены в Перечень рецензируемых научных издании, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией при Министерстве образования и науки Российской Федерации для опубликования основных научных результатов диссертаций, и в библиографическую базу Web of Science:

1. Коханчик, JI. С. Периодические доменные структуры, сформированные электронным лучом в пластинах LiNb03 и планарных волноводах Ti:LiNbOj Y-ориентации / Л. С. Коханчик, М. В. Бородин, С. М. Шандаров, Н. И. Буримов,

B. В. Щербина, Т. Р. Волк // Физика твердого тела. - 2010. - Т. 52, № 8. -

C. 1602-1609. - 0,8 / 0,16 п.л.

переводная версия:

Kokhanchik, L. S. Periodic domain structures formed under electron-beam irradiation in LiNb03 plates and Ti:LiNb03 planar waveguides of the Y cut / L. S. Kokhanchik, M. V. Borodin, S. M. Shandarov, N. I. Burimov, V. V. Shcherbina, T.R. Volk // Physics of the Solid State. - 2010. - V. 52, Is. 8. C. 1722-1730. -0,8 /0,16 п.л. - DOI: 10.1134/S106378341008024X

2. Щербина, В. В. Формирование и исследование планарных волноводных и периодических доменных структур в кристаллах ниобата лития / В. В. Щербина, М. В. Бородин, С. А. Смычков // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. - 2012. - Т. 14, № 4-1. - С. 243-247. -0,35/ 0,15 пл.

3. Щербина, В. В. Визуализация периодических поляризованных структур в кристаллах ниобата лития и в планарных волноводах на ниобате лития / В. В. Щербина, С. М. Шандаров, Д. О. Анисимов, Н. И. Буримов, М. В. Бородин, Л. Я. Серебренников, А. Ю. Печенкин, С. А. Смычков,

Л. С. Коханчик, В. В. Козик, С. А. Кузнецова // Известия высших учебных заведений. Физика. - 2010. - Т. 53, № 9/3. - С. 187-190. - 0,15 / 0,03 пл.

4. Анисимов, Д. О. Пленарные оптические волноводы Zn:LiNb03 для интегральной и нелинейной оптики / Д. О. Анисимов, М. В. Бородин, А. Ю. Печенкин, С. А. Смычков, С. Ф. Халикулова, В. В. Щербина // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. - 2010. - № 2 (22), ч. 2. - С. 58-62. - 0,15 / 0,03 п.л.

5. Kokhanchik, L. S. Optical Investigations of Periodical Domain Structures Created by E-Beam Irradiation in Y-Cut LiNb03 / L. S. Kokhanchik, M. V. Borodin, N. I. Burimov, S. M. Shandarov, V. V. Shcherbina, V. M. Shandarov, L. Ya. Serebrennikov, T. R.Volk // Ferroelectrics. - 2010. - V. 399:1. - P. 1-6. -0,3 / 0,05 п.л. - DOI: 10.1080/00150193.2010.489844

6. Kokhanchik, L. S. Planar domain gratings fabricated by a set of local e-beam irradiations on the Y-cuts of I.iNbO, and in the planar waveguide Ti:LiNb03 / L. S. Kokhanchik, M. V. Borodin, N. I. Burimov, S. M. Shandarov, V. V. Shcherbina // Ferroelectrics. - 2011. - V. 411:1. - P. 71-78. - 0,19/0,04 п.л. -DOI: 10.1080/00150193.2010.493082

7. Kokhanchik, L. S. Surface periodic domain structures for waveguide applications / L. S. Kokhanchik, M. V. Borodin, N. I. Burimov, S. M. Shandarov, V. V. Shcherbina, T. R. Volk // IEEE Transactions on Ultrasonics Ferroelectrics and Frequency Control. - 2012. - Vol. 59, Is. 6. - P. 1076-1084. - 0,5 /0,1 п.л. -DOI: 10.1109/TUFFC.2012.2298

Патент:

8. Патент 2487084 CI Российская Федерация, МПК C01G9/02, G02B6/10, В81С1/00, C01D15/00, C01G33/00. Способ получения планарного волновода оксида цинка в ниобате лития / Козик В.В., Кузнецова С.А., Шандаров С.М., Щербина В.В., Смычков С.А, Буримов Н.И., Бородин М.В. Патентообладатель : Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский государственный университет» (RU). № 2012118121/05; заявл. 03.05.2012; опубл. 10.07.2013; Бюл. № 19. - 7 с. - 0,42 / 0,06 п.л.

Публикаг/ии в других научных изданиях:

9. Kokhanchik, L. S. Optical Characterization of e-Beam-Poled Gratings in a Ti-Diffused Planar Waveguide on Y-Cut of Lithium Niobate / L. S. Kokhanchik, M. V. Borodin, S. M. Shandarov, V. V. Shcherbina, N. I. Burimov // Proceedings of the Thematic Meeting : Second International Meeting On Materials For Electronic Applications, IMMEA 2009, Tunisia. - Hammamet, 2009. - P. 96-97. - 0,06 / 0,01 п.л.

10. Анисимов, Д. О. Визуализация периодических доменных структур, сформированных электронным лучом в кристаллах Х- и Y-срезов ниобата лития / Д. О. Анисимов, М. В. Бородин, В. В. Щербина, С. М. Шандаров, Л. С. Коханчик / Сборник трудов Международной конференции

«Фундаментальные проблемы оптики - 2010» : в 3 т. / под ред. проф. В.Г.Беспалова, проф. С.А. Козлова. - СПб., 2010. - Т. 1. - С. 135-137. -0,15/0,03 п.л.

11. Shandarov, S. М. Planar domain structures formed by electron-beam poling in Y- and X-cut LiNb03 and waveguides Zn:LiNb03 / S. M. Shandarov, M. V. Borodin, V. V. Shcherbina, L. Ya. Serebrennikov, N. I. Burimov, A. Yu. Pechenkin, D. O. Anisimov, L. S. Kokhanchik, S. A. Kuznetsova, V. V. Kozik // Proceedings of the 2010 IEEE International Symposium on the Applications of Ferroelectrics, ISAF 2010, Co-located with the 10th European Conference on the Applications of Polar Dielectrics, ECAPD 2010, Edinburgh, Scotland. - Edinburgh, 2010. - C. 5712226/1^1. - 0,25 / 0,05 п.л.

12. Kokhanchik, L. S. Optical characterization of periodically-poled structures created by e-beam in Ti-indiffused planar waveguide on Y-cut lithium niobate crystal / L. S. Kokhanchik, V. V. Shcherbina, S. M. Shandarov, M. V. Borodin, N. I. Burimov, T. R. Volk. // Proceedings of Topical Meeting: Photorefractive Materials, Effects, and Devices Control of Light and Matter, Bad Honnef, Germany. -Bad Honnef, 2009. - P. 150-151. -0,13 / 0,02 пл.

13. Kokhanchik, L. S. Planar periodically structures formed by E-beam on the lithium niobate substrates for waveguide applications / L. S. Kokhanchik, M. V. Borodin, N. I. Burimov, S. M. Shandarov, V. V. Shcherbina, A. J. Pechenkin, D. O. Anisimov, S. A. Kuznetsova, V. V. Kozik // Pacific Science Review. - 2010. -V. 12, № 1. - P. 109-111. - 0,15 / 0,03 пл.

14. Shcherbina, V. V. Optical investigations of periodical domain structures on X- and Y-cut lithium niobate / V. V. Shcherbina, S. M. Shandarov, M. V. Borodin, D. O. Anisimov, L. Ya. Serebrennikov, L. S. Kokhanchik // Abstract CD of 5th EOS Topical Meeting on Advanced Imaging Techniques (AIT 2010), Switzerland. -Engelberg, 2010. - 0,15 / 0,03 пл.

Тираж 100 экз. Заказ 702. Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники. 634050, г. Томск, пр. Ленина, 40. Тел. (3822) 533018.