научная статья по теме ФОТОРЕФРАКТИВНОЕ РАССЕЯНИЕ СВЕТА В КРИСТАЛЛАХ НИОБАТА ЛИТИЯ, ЛЕГИРОВАННЫХ MG2+, В3+, Y3+, TA5+ Физика

Текст научной статьи на тему «ФОТОРЕФРАКТИВНОЕ РАССЕЯНИЕ СВЕТА В КРИСТАЛЛАХ НИОБАТА ЛИТИЯ, ЛЕГИРОВАННЫХ MG2+, В3+, Y3+, TA5+»

ОПТИКА И СПЕКТРОСКОПИЯ, 2014, том 117, № 2, с. 327-331

ФИЗИЧЕСКАЯ ^^^^^^^^^^^^^^^^ ОПТИКА

УДК 535.36

ФОТОРЕФРАКТИВНОЕ РАССЕЯНИЕ СВЕТА В КРИСТАЛЛАХ НИОБАТА ЛИТИЯ, ЛЕГИРОВАННЫХ Mg2+, В3+, Y3+, Ta5+

© 2014 г. Н. В. Сидоров*, М. Н. Палатников*, А. В. Сюй**, Е. А. Антонычева**, А. А. Яничев*,

А. А. Габаин*, А. А. Крук*

* Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья Кольского научного центра РАН,

184209 Апатиты, Россия **Дальневосточный государственный университет путей сообщения, 680021 Хабаровск, Россия

E-mail: sidorov@chemy.kolasc.net.ru Поступила в редакцию 21.11.2013 г.

Исследовано фоторефрактивное (фотоиндуцированное) рассеяние света (ФРРС) в монокристаллах ниобата лития LiNbO3, LiNbO3 : В, LiNbO3 : Y(0.46 мас. %), LiNbO3 : Y(0.24) : Mg(0.63 мас. %) и LiNbO3 : Та(1.13) : Mg(0.0109 мас. %), выращенных из расплава конгруэнтного состава. Установлено, что вид спекл-структуры ФРРС, кинетика раскрытия индикатрисы ФРРС существенно зависят от вида легирующей примеси в кристалле ниобата лития. В кристаллах, легированных Y3+, Ta5+ : Mg2+, Y3+ : Mg2+, при лазерном облучении c течением времени происходит изменение формы индикатрисы рассеяния. Для кристалла LiNbO3 : В характерно полное отсутствие временных изменений в спе-кл-структуре, что свидетельствует о существенно пониженном эффекте фоторефракции в этом кристалле.

DOI: 10.7868/S0030403414080236

ВВЕДЕНИЕ

Одним из наиболее важных нелинейно-оптических фоторефрактивных материалов является сегнетоэлектрический кристалл ниобата лития (Ы№03). Ниобат лития является фазой переменного состава, что позволяет изменять физические характеристики кристалла изменением стехиометрии (отношения Я = [Ы]/[№]), легированием, а также изменением упорядочения структурных единиц катионной подрешетки и состояния дефектности структуры [1—3]. Монокристаллы П№03 с низким эффектом фоторефракции, перспективные в качестве материалов для преобразования и генерации лазерного и широкополосного излучений, можно получить из конгруэнтного расплава (Я = [Ы]/[МЪ] = 0.946), легируя его фотовольтаически неактивными ("нефоторе-фрактивными"1) катионами (М§2+, Zn2+, Оё3+, Б3+и др.) [1—3]. При этом фоторефрактивное (фотоиндуцированное) рассеяние света (ФРРС), неизбежно возникающее в сегнетоэлектрическом кристалле на пространственных микродефектах со статическим или флуктуирующим показателем преломления, наведенных лазерным излучением, является мешающим фактором для голографии,

1 "Фоторефрактивные" катионы (катионы с переменой ва-

лентностью: Бе, ЯК, Си и др.) под действием света изменя-

ют свой заряд в кристалле и повышают эффект фоторе-

фракции. "Нефоторефрактивные" катионы под действием

света не изменяют свой заряд в кристалле.

генерации и преобразования широкополосного и когерентного излучений [3—5].

Внедрение "нефоторефрактивных" катионов в структуру кристалла ниобата лития существенно изменяет упорядочение структурных единиц катионной подрешетки вдоль полярной оси, влияет на спонтанную поляризацию, оптическое пропускание и край фундаментального поглощения, а также изменяет температуру Кюри [1—3, 6]. При этом фоторефрактивный эффект и ФРРС в зависимости от вида примеси и особенностей ее локализации в структуре кристалла могут как подавляться, так и усиливаться [1—5]. Причины такого влияния во многом остаются невыясненными. Эффект влияния "нефоторефративных" катионов на фоторефрактивные свойства кристалла ниобата лития достаточно тонкий и требует тщательного изучения механизмов внедрения и особенностей локализации легирующих примесей в структуру кристалла, а также выяснения их роли в образовании дефектов с локализованными на них электронами.

В настоящей работе исследовано ФРРС в кристаллах и№03, и№03 : В (0.12 мас. %), Ь1№03 : : У(0.46 мас. %), а также в кристаллах с двойным легированием и№03 : У(0.24) : М§(0.63 мас. %) и и№03 : Та(1.13) : М§(0.0109 мас. %), перспективных в качестве нелинейно-оптических материалов для преобразования широкополосного и когерентного лазерного излучений. Данные о ФРРС

Результаты спектрального анализа пластин, срезанных с верхней и хвостовой части номинально чистого кристалла ниобата лития конгруэнтного состава

Примесь Содержание примеси, мас. %

верх низ

Zr <10-3 <10-3

Mo <10-3 <10-3

Ca <10-3 <10-3

Fe <10-3 <10-3

Ti <10-3 <10-3

Si <10-3 <10-3

Pb, Ni, Cr, Co <10-3 <10-3

Al <5 х 10-4 <5 х 10-4

Cu <5 х 10-4 <5 х 10-4

Mn, V, Mg, Sn <5 х 10-4 <5 х 10-4

Tk, °C 1142.0 1142.0

в этих кристаллах, насколько нам известно, ранее не публиковались.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Кристаллы выращивались в воздушной атмосфере методом Чохральского по единой методике на установке "Кристалл-2" из расплава конгруэнтного состава ([Li]/[Nb] = 0.946). Использовалась оригинальная гранулированная шихта с высокой насыпной плотностью, синтезированная в ИХТРЭМС КНЦ РАН, позволяющая получать абсолютно бесцветные (water white) номинально чистые монокристаллы ниобата лития [7]. Легирующая примесь вводилась в расплав в виде соответствующих оксидов квалификации ОсЧ. Подробно методика роста кристаллов и приготовление шихты описаны в работах [6, 7]. Эффект фоторефракции в номинально чистых и легированных "нефоторефрактивными" катионами кристаллах ниобата лития определяется как собственными дефектами с локализованными на них электронами, так и следовыми количествами примесных многозарядных "фоторефрактивных" катионов (Fe, Rh, Си, и др.) [1—5]. В таблице указаны следовые концентрации катионных примесей в кристалле ниобата лития конгруэнтного состава, определенные методом спектрального анализа. Из таблицы видно, что кристаллы отличаются высокой однородностью вдоль оси роста по составу примесей и основных компонентов, о чем, в частности, свидетельствует и то, что температуры Кюри (Тк) верхней и нижней частей були совпадают. Аналогичные результаты по концентрациям сопутствующих примесей получены и для легированных кристаллов ниобата лития.

Кристаллические образцы для исследований имели форму прямоугольных параллелепипедов размерами ~7 х 6 х 5 мм с ребрами, совпадающими по направлению с кристаллофизическими осями X, Y, Z, где ось Z — полярная ось кристалла. Грани параллелепипедов тщательно полировались.

ФРРС возбуждалось лазером MLL-100 на Y : Al гранате (А,0 = 530 нм). Мощность излучения лазера варьировала в пределах от 35 до 160 мВт с помощью нейтральных светофильтров. Для исследований ФРРС при больших мощностях возбуждения (до 700 мВт) применялся Ar— Kr-лазер фирмы "Spectra Physics", модель 2018 = RM, = = 514.5 нм. В экспериментах по ФРРС лазерный луч направлен вдоль оси Y, а вектор напряженности Е электрического поля лазерного излучения параллелен полярной оси Z кристалла. В такой геометрии рассеяния эффект фоторефракции проявляется наиболее ярко. Рассеянное кристаллом излучение падало на полупрозрачный экран, размещенный за кристаллом, и регистрировалось цифровой видеокамерой. На экране имелась метрическая линейка, при помощи которой определялся геометрический размер индикатрисы ФРРС. Исходя из геометрии эксперимента (расстояние от кристалла до экрана B) по формуле 0 = arctg (a/b) рассчитывался угол рассеяния 9. Поскольку форма индикатрисы рассеянного излучения может быть различной и многослойной [8], за крайнюю точку на картине ФРРС, по которой определяется угол рассеяния, принимали точку, в которой интенсивность рассеянного излучения уменьшается на порядок.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Картины ФРРС в монокристаллах LiNbO3 : : В(0.12 мас. %), LiNbO3 : Y(0.46 мас. %), LiNbO3 : : Y(0.24) : Mg(0.63 мас. %) и LiNbO3 : Та(1.13) : : Mg(0.0109 мас. %), представлены на рис. 1. В номинально чистом монокристалле конгруэнтного состава ([Li]/[Nb] = 0.946) при задействованных мощностях лазерного излучения нами не наблюдалось ФРРС, а было зарегистрировано только незначительное круговое рассеяние, что свидетельствует об отсутствии сколько-нибудь существенного эффекта фоторефракции (на рис. 1 не представлено). Такое же круговое рассеяние наблюдалось при малых мощностях возбуждающего излучения и для кристалла LiNbO3 : В (0.12 мас. %). Однако при прохождении через кристалл LiNbO3: В (0.12 мас. %) лазерного луча (А,0 = = 532 нм) мощностью 160 мВт на экране практически сразу (в первую секунду) проявляется трехслойная спекл-структура ФРРС в виде слегка асимметричной окружности с малым углом раскрытия индикатрисы (2°—4°, рис. 1 и 2). Цен-

Ь1№03:Б

П№03:У

ЫМЪ03:У:МБ

П№03:Та^

Рис. 1. Зависимость ФРРС в кристаллах П№>03 : Б (0.12). П№Ю3 : У (0.46). П№Ю3 : У(0.24) : Мя(0.63), П№Ю3 : : Та(1.13) : Mg(0.0109) от времени; Р = 160 мВт, = 532 нм. а — 1, б — 60, в — 360, г — 600 с. Волновой вектор возбуждающего излучения направлен вдоль оси У, а вектор напряженности Е параллелен полярной оси Z кристалла.

тральный слой (след от лазерного луча) представляет собой наиболее яркое по интенсивности пятно, второй слой имеет меньшую интенсивность свечения и крайний по периметру третий слой имеет спекл-структуру в виде коротких ломаных линий (рис. 2). При увеличении мощности до 640 мВт увеличивается только контраст второго слоя спекл-структуры ФРРС, угол раскрытия индикатрисы ФРРС остается при этом постоянным. При облучении кристалла Ы№03 : В (0.12 мас. %) в течение 600 с спекл-структура на экране не изменяется, что хорошо видно при прямом измерении картины ФРРС (рис. 1). Отсюда можно уверенно сделать вывод, что такая примесь как В3+ является нефоторефрактивной. Этот вывод однозначно подтверждается и по спектрам комбинационного рассеяния света (КРС) [1]. В спектре КРС кристалла Ы№03 : В (0.12 мас. %) в геометрии рассеяния X(ZX)Y отсутствует линия с частотой 631 см-1 А1(Т0) типа симметрии, запрещенная правилами отбора для данной геометрии рассеяния [1]. В то же время эта линия уверенно наблюдается в спектрах фоторефрактив-ных кристаллов, в частности легированных "фоторефрактивными" катионами Си и Бе [1, 9]. Причем ее интенсивность возрастает с увеличением величины эффекта фоторефракции.

Легирование кристаллов ниобата лития двумя разными "нефоторефрактивными" катионами вызывает интерес в целях создания

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»