Оптическая неоднородность кристаллов лангасита тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

1 Структура и свойства кристаллов лангасита.

1.1 Структура кристаллов лангасита.

1.2 Свойства кристаллов лангасита.

1.2.1 Пьезоэлектрические свойства кристаллов лангасита.

1.2.2 Механические свойства кристаллов лангасита.

1.2.3 Оптические свойства кристаллов лангасита.

2 Рост кристаллов лангасита.

2.1 Фазовая диаграмма кристаллов лангасита.

2.2 Способы синтеза шихты для выращивания кристаллов лангасита.

2.3 Выбор материала тигля.

2.4 Выращивание кристаллов лангасита.

3 Дефекты кристаллов лангасита.

4 Оптическая неоднородность кристаллов лангасита.

4.1 Поляризационно-оптический метод исследования кристаллов.

4.2 Интерференционный метод исследования кристаллов.

4.3 Оптическая неоднородность кристаллов лангасита.

5 Оптическая активность в кристаллах лангасита.

6 Определение коэффициентов линейного электрооптического эффекта в кристаллах лангасита.

6.1 Определение электрооптического коэффициента Гц.

6.2 Определение электрооптического коэффициента r4i.

ВЫВОДЫ.

Лантангаллиевый силикат - лангасит (LGS, La3Ga5SiOi4) тригональный кристалл (точечная группа 32), обладает большими, чем у кварца пьезоэлектрическими коэффициентами и коэффициентом электромеханической связи. Он имеет направления с хорошей температурной стабильностью частоты упругих колебаний, что позволяет его успешно использовать для изготовления устройств на объемных и поверхностных акустических волнах [1—3]. Широкое применение кристаллы LGS начинают находить в качестве монолитных фильтров [4], высокочастотных резонаторов и высокотемпературных датчиков [5]. Кристаллы LGS обладают и уникальным сочетанием оптических свойств: широкой областью прозрачности, электрооптическим и пьезооптическим эффектами, оптической активностью, линейным и циркулярным дихроизмом и др. [1, 6-9].

Некоторые оптические свойства уже нашли практическое применение. Например, разработан внутрирезонаторный электрооптический затвор на элементе из LGS для лазера на HAT:Nd+3 при частоте импульсов 5 Гц, энергии 350 мДж и длительности 7.8 не [10]. Показано, что LGS оказался эффективнее, чем KDP (лазерная стойкость у LGS выше почти на порядок). По отношению к кристаллам группы KDP LGS имеет то преимущество, что не гигроскопичен, хотя электрооптический коэффициент в нем в три раза меньше. Кристаллы КТР имеют преимущество перед LGS, но технология выращивание крупных кристаллов КТР еще не отработана. Проведена оценка возможности использования кристаллов LGS в качестве лазерной матрицы (легирование неодимом) [6, 7].

Кристаллы LGS выращивают методом Чохральского [13]. Сложный состав LGS и особенности его выращивания приводят к неоднородности кристалла. Выращивание кристаллов ведется из расплава конгруэнтного состава. Предварительный синтез шихты из окислов и летучесть компонентов при росте способствуют отклонению состава расплава от конгруэнтного. Влияние газовой атмосферы, нестабильность параметров роста и изменение формы фронта кристаллизации приводит к возникновению дефектов (непостоянство состава, полосы роста, включения, пузыри, трещины и др.) и неоднородности как по длине выросших кристаллических буль, так и по их диаметру [13-18]. Эта дефектность кристаллов LGS приводит к неоднородности физических свойств [1,7, 14, 19-24]. Различны скорости ПАВ даже в пределах одной кристаллической пластины [29-31]. Наблюдается разброс значений упругих постоянных кристаллов в работах различный авторов [27, 28]. От дефектности кристаллов зависят и их оптические свойства [18-26, 32]. Значения показателей преломления, приводимые в работах [22-24], и удельного угла вращения плоскости поляризации света в [7, 23, 25, 26] значительно отличаются. Отмечаются также трудности при измерении оптического вращения и циркулярного дихроизма [23].

Таким образом, промышленное выращивание LGS сдерживается изменением физических свойств кристаллов по объему, связанное с их дефектностью, определяемой сложностью состава и несовершенством технологии выращивания.

Поскольку LGS имеет практическое применение и перспективен для использования в оптике, очень важно установить причины оптической неоднородности кристаллов и влияния их дефектности на значение величин оптических свойств. С одной стороны, это позволит рационально использовать монокристаллы LGS для изготовления оптических элементов, а с другой сформулировать рекомендации для дальнейшего совершенствования технологии выращивания LGS с целью применения их в оптике.

выводы

1. Дефекты в кристаллах LGS, возникшие в процессе выращивания, приводят к возникновению оптической неоднородности. Интерференционным методом в кристаллах LGS определена величина градиента показателей преломления от 5-10"4 см"1 до 1.8-10"3 см"1, а поляризационно-оптическим методом оценена величина аномального двупреломления света 8п=(0.8 - 5.0)-10"5.

2. Рентгеновские топограммы от поверхности кристаллов, рентгенофазовый анализ состава кристаллов, измерение спектров поглощения и микроскопические исследования позволяют считать, что градиент показателя преломления и аномальная оптическая двуосность в исследованных кристаллах LGS наблюдаются в областях, где присутствуют полосы роста и блочность, которые в основном определяются нестабильностью фронта кристаллизации и непостоянством состава кристалла по длине кристаллической були и ее диаметру.

3. Измерения показателей преломления методом призмы показали, что:

- показатели преломления изменяются как по длине кристаллической були, так и по ее диаметру;

- наибольшие изменения показателей преломления наблюдаются в местах наличия полос роста и блочности.

4. Измерена дисперсия показателей преломления в кристаллах LGS в видимой области спектра при комнатной температуре.

5. Измерения удельного угла вращения плоскости поляризации при распространении света вдоль оптической оси кристалла LGS показали, что:

- для исследованных кристаллов при комнатной температуре на длине волны ^.=0.633 мкм средний удельный угол вращения плоскости поляризации света р=3.25 ± 0.08 угл.град./мм;

- измеренный при комнатной температуре удельный угол вращения плоскости поляризации света отличается от кристалла к кристаллу и от места измерения на образце. Удельный угол вращения плоскости поляризации света коррелирует с частотой интерференционных полос на интерферограммах, полученных от

179 исследованных образцов, и зависит от положения плоскости поляризации падающего на кристалл света;

- измерена при комнатной температуре в видимой области спектра дисперсия удельного угла вращения плоскости поляризации света р согласуется с литературными данными.

6. Измерения электрооптических коэффициентов поляризационно-оптическим методом в постоянном электрическом поле при комнатной температуре на длине волны Х=0.633 мкм в кристаллах LGS показали:

- рассчитанное среднее значение электрооптического коэффициента rii=2.62 пм/В и r4i=1.20 пм/В;

- на измеряемую величину Гу оказывает влияние неоднородность кристалла, наибольшие отклонения наблюдаются в областях с аномальной двуосностью;

Выражаю благодарность сотрудникам кафедры, за помощь в проведении эксперимента, Сагаловой Т.Б. за рентгенофазовый анализ и доктору физико-математических наук Рощупкину Д.В. за проведение рентгенотопографических исследований образцов.

Отдельно выражаю благодарность проф. [Блистанову A.A.j за помощь при обсуждении результатов эксперимента.

1. Kadota М., Nakanishi J., Kumatoriya Т., Jpn. // J. Appl. Phys. 1998. -v.38. -P.3288.

2. Uda S., Bungo A., Jian C. // J. Appl. Phys. 1999. - v.38. - P.5516.

3. Бронникова Е.г., Ларионов И.М. Исаев B.A. и др. // Электронная техника сер. радиодетали и радиокомпоненты. 1986. - т.63. - №2. - С.83 - 84.

4. Сахаров С.А., Ларионов И.М., Медведев А.В. Монолитные фильтры на основе кристаллов лангасита, работающие на основных колебаниях сдвига. Зарубежная радиоэлектроника. -1994. -№9 10. -С.12 - 18.

5. Каминский А.А. Лазерные кристаллы. М: «Наука». - 1975. - С.256.

6. Каминский А.А., Милль Б.В, Сильвестрова И. М., Ходжабагян Г.Г.

7. Нелинейно-активный материал (Lai.xNbx)3Ga5SiOi4 // Изв. АН СССР. 1983.т.47. С.1903 - 1908.

8. Kaminskii A.A., Belokoneva E.L., Mill B.V. е.а. // Phys. Status Solidi (a). 1984. -v.86. - №1. - P.345.

9. Константинова А.Ф., Калдыбаев K.A., Перекалина З.Б., Орехова В.П. Анизотропные оптические свойства кристаллов со структрной Са-галлогерманата // Кристаллография. 2002. - т.47. - №3. - С.527 - 530.

10. Н. Kong, J. Wang, Н. Zhang е.а. Growth, properties and application as an electrooptic Q-switch of langasite crystal // J. Crystal Growth. 2003. - №254. -P.360 - 367.

11. Милль Б.В., Баташин А.В., Ходжабагян Г.Г. Модифицированные редкоземельные галлаты со структурой Ca3Ga5GeOi4 // Докл. АН СССР. -1982.-т.264.-№26.-С.1385 1389.

12. Дороговин Б.А., Степанов С.Ю., Дубовиский А.Б. и др. Физико-химические основы и промышленная технология выращивания крупногабаритных13