ОПТИКА И СПЕКТРОСКОПИЯ, 2015, том 118, № 2, с. 273-282
^^^^^^^^^^ СПЕКТРОСКОПИЯ
КОНДЕНСИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ
УДК 535:361:456.34:882
КОМПЛЕКСНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУКТУРНОЙ И ОПТИЧЕСКОЙ ОДНОРОДНОСТЕЙ КРИСТАЛЛОВ НИОБАТА ЛИТИЯ С НИЗКИМ ЭФФЕКТОМ ФОТОРЕФРАКЦИИ МЕТОДАМИ КОНОСКОПИИ, ФОТОИНДУЦИРОВАННОГО СВЕТОРАССЕЯНИЯ И КОМБИНАЦИОННОГО РАССЕЯНИЯ
© 2015 г. Н. В. Сидоров*, О. Ю. Пикуль**, А. А. Крук*, Н. А. Теплякова*, А. А. Яничев*, М. Н. Палатников*
*Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И. В. Тананаева 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 20.02.2014 г.
В окончательной редакции 07.07.2014 г.
Методами фотоиндуцированного светорассеяния, коноскопии и спектроскопии комбинационного рассеяния света исследованы кристаллы ниобата лития стехиометрического состава, а также конгруэнтного состава, легированные катионами: Mg(0.078, 0.89 вес.%), Zn(0.03, 0.52, 0.62), Cu(0.015), B(0.12), Gd(0.51), Y(0.46), Gd(0.23):Mg(0.75), Mg(0.86):Fe(0.0036), Ta(1.13):Mg(0.011), Y(0.24):Mg(0.63). Установлено, что исследованные образцы подразделяются на три группы в зависимости от вида картины фотоиндуцированного светорассеяния. Показано, что асимметрия индикатрисы фотоиндуцированного светорассеяния кристаллов LiNbO3 обусловлена двулучепреломлением возбуждающего лазерного излучения при распространении его перпендикулярно полярной оси кристалла, а асимметрия спектра комбинационного рассеяния света — наличием спонтанной поляризации, вектор которой направлен вдоль полярной оси, и двулучепреломлением. При этом вид картины фотоиндуцированного светорассеяния зависит от разности значений показателей преломления An = no — ne и энергий Е обыкновенного (no) и необыкновенного (ne) лучей. Если Eno > Ene, то картина фотоинду-цированного светорассеяния представляет собой трехслойное круглое пятно. При равенстве энергий картина имеет вид симметричной восьмерки. При Eno < Ene восьмерка является асимметричной. При этом ее больший "лепесток" направлен в положительном направлении полярной оси кристалла.
DOI: 10.7868/80030403415020178
ВВЕДЕНИЕ
Фоторефрактивные свойства кристалла ниобата лития (Ы№03) — одного из наиболее востребованных нелинейно-оптических материалов — зависят от состава и определяются характером и концентрацией фотовольтаически активных примесей и заряженных структурных дефектов с локализованными на них электронами [1—6]. В этой связи актуальны исследования характеристик фотоинду-цированного рассеяния света и комбинационного рассеяния света (ФИРС и КРС) в зависимости от состава кристалла Ы№03 и мощности возбуждающего лазерного излучения. Эти исследования важны для понимания природы структурных перестроек и оптических процессов, происходящих при взаимодействии лазерного излучения с фото-рефрактивным кристаллом, и имеют практическую значимость, поскольку величина и скорость
изменения угла раскрытия индикатрисы ФИРС определяют чувствительность и быстродействие записи информации, электрооптических модуляторов и затворов [4, 6].
Кристалл Ы№03 (пространственная группа
симметрии С(Я3е)) является отрицательным одноосным кристаллом (по > пе; п0 и пе — соответственно показатели преломления обыкновенного и необыкновенного лучей) и имеет единственное направление (полярная ось 2), вдоль которого не происходит двулучепреломления [5]. При этом оптическая и полярная оси кристалла совпадают. Вдоль полярной оси кристалла лазерный луч распространяется с постоянной скоростью, но со временем (вследствие эффекта фоторефракции) происходит размытие его сечения в кристалле. Однако форма сечения луча и картина ФИРС при этом не изменяются и всегда представляют собой
Результаты спектрального анализа пластин, срезанных с верхней и хвостовой частей номинально чистого кристалла ниобата лития конгруэнтного состава
Примесь
Содержание примеси, масс.%
верх низ
Zr <1 x 10- 3 <1 x 10-
Mo <1 x 10- 3 <1 x 10-
Ca <1 x 10- 3 <1 x 10-
Fe <1 x 10- 3 <1 x 10-
Ti <1 x 10- 3 <1 x 10-
Si <1 x 10- 3 <1 x 10-
Pb, Ni, Cr, Co <1 x 10- 3 <1 x 10-
Al <5 x 10- -4 <5 x 10-
Cu <5 x 10- -4 <5 x 10-
Mn, V, Mg, Sn <5 x 10- -4 <5 x 10-
Tk, °C 1142.0 1142.0
круглое пятно [4, 6]. Если лазерный луч направлен перпендикулярно полярной оси, то его сечение (и соответственно картина ФИРС), имеющие в начальный момент форму круга (независимо от состава кристалла), со временем приобретают форму асимметричного эллипса (или асимметричной восьмерки), большая полуось которого направлена вдоль полярной оси кристалла [6]. Причины формирования картины ФИРС в виде эллипса или восьмерки до настоящего времени оставались не выясненными. Можно предположить, что такая картина ФИРС — следствие дву-лучепреломления, увеличения со временем разности Дп = п0 — пе и перекачки энергии из обыкновенного в необыкновенный луч. Такие процессы можно обнаружить и исследовать в кристаллах с низким эффектом фоторефракции, поскольку в них многие оптические эффекты, связанные с прохождением лазерного излучения через кристалл, не "замазаны" сильной его деструкцией вследствие эффекта фоторефракции и сильного ФИРС.
В настоящей работе исследованы особенности формирования картины ФИРС, спектры КРС кристаллов Ы№03 конгруэнтного (Ы/№ = 0.946) и стехиометрического (Ы/№ = 1) составов, а также конгруэнтных кристаллов, легированных катионами М§2+(0.078, 0.89 вес.%), гп2+(0.03, 0.52, 0.62), Си2+(0.015), В3+(0.12), 0ё3+(0.51), У3+(0.46), 0ё3+(0.23):М§2+(0.75), М§2+(0.86):Ре3+(0.0036), Та5+(1.13):М§2+(0.011), У3+(0.24):М§2+(0.63). Оптическая однородность кристаллов исследована методом лазерной коноскопии. В методе лазерной коноскопии в отличие от коноскопических кар-
тин, получаемых с помощью полязизационного микроскопа, значительный размер изображения позволяет выполнить детальный анализ тонких особенностей структурных искажений в кристаллах как в центре поля зрения, так и на периферийной области коноскопических картин, что актуально для обнаружения и исследования тонких особенностей структурных и ростовых искажений, микро- и наноструктур, неизбежно присутствующих в фазах переменного состава и в легированных кристаллах вследствие неравномерного вхождения легирующих примесей в структуру кристалла, а также структурных искажений и дефектов, возникающих под действием лазерного луча в фоторефрактивных монокристаллах.
Исследованные в работе кристаллы обладают сравнительно низким эффектом фоторефракции и перспективны в качестве материалов для преобразователей частоты, формирования микронных, субмикронных и нанометровых периодических структур, электрооптических модуляторов и затворов. Двойное легирование бывает перспективно для получения кристаллов повышенной оптической прочности. Спектры КРС и ФИРС кристаллов ниобата лития стехиометрического состава, а также кристаллов конгруэнтного состава, легированных перечисленными выше катионами, частично исследовались ранее в работах [1, 6—13]. Методом коноскопии ранее исследовались только кристаллы ЫМЪ03:М§(0.078, 0.89 вес.%) при возбуждении излучением Не-№-лазера мощностью менее 1 мВт [14].
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Кристаллы выращивались в воздушной атмосфере методом Чохральского по единой методике на установке "Кристалл-2". Использовалась оригинальная гранулированная шихта, позволяющая получать абсолютно бесцветные (water white) номинально чистые монокристаллы ниобата лития с увеличенным окном прозрачности [15]. Легирующая примесь вводилась в расплав в виде соответствующих оксидов квалификации ОсЧ либо (в случае кристалла LiNbO3:Mg2+(0.86):Fe3+(0.0036)) при синтезе шихты ниобата лития в виде гомогенно легированного прекурсора Nb2O5:Mg,Fe. Подробно методика роста кристаллов и приготовление шихты описаны в работах [15—20]. Так как эффект фоторефракции в кристаллах LiNbO3 определяется собственными дефектами с локализованными на них электронами и наличием многозарядных ("фоторефрактивных") катионов [1—3], то в таблице указаны следовые концентрации катион-ных примесей в номинально чистом кристалле ниобата лития конгруэнтного состава, определенные методом спектрального анализа. Из таблицы видно, что кристаллы отличаются высокой
однородностью вдоль оси роста как по составу примесей, так и основных компонентов, о чем, в частности, свидетельствует и то, что температуры Кюри (Тк) верхней и нижней частей були совпадают. Поскольку для выращивания всех кристаллов использовалась аналогичная шихта, то подобные 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 с использованием методов химико-механической полировки.
Фотоиндуцированное рассеяние света возбуждалось лазером MLL-100 на ^А1-гранате (Х0 = 530 нм) и регистрировалось цифровой фотокамерой. Экспериментальная установка и методика определения угла раскрытия индикатрисы ФИРС подробно описаны в работах [4, 6]. В экспериментах по ФИРС лазерный луч направлен вдоль оси Y, а вектор напряженности Е электрического поля лазерного излучения параллелен полярной оси Z кристалла.
Спектры КРС возбуждались линией 514.5 нм аргонового лазера Spectra Physics (модель 2018-RM) и регистрировались спектрографом T64000 производства фирмы Horiba Jobin Yvon с использованием конфокального микроскопа. Чтобы исключить влияние фоторефракции на спектр КРС, спектры возбуждались излучением малой мощности (P < 3 мВт). Все спектры регистрировались с разрешением 1.0 см-1 при комнатной температуре.
Методика коноскопических исследований подробно описана в работах [14, 21, 22]. Использовалось излучение He-Ne-лазера (Х0 = 632.8 нм) малой мощности (Р = 1 мВт) и лазера MLL-100 на ^А1-гранате (А0 = 532.0 нм, Р = 1 и 90 мВт). При Р = 1 мВт фоторефрактивный эффект для исследованных крис
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.