Эффект фоторефракции играет двоякую роль:
фоторефракция может быть полезна и используется для голографической записи информации;
фоторефракция определяет нестабильность кристаллов при их применении в нелинейной и электрооптике.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Наиболее полно этот эффект изучен |
|
|
|
Обнаруживается |
фоторефракция |
|
|
в таких кислородно-октаэдрических |
|
|
|
и в ряде других кристаллов, напри- |
|
|
кристаллах, |
как LiNbО3, |
LiТаО3, |
|
|
|
мер в германатах и силикатах висму- |
|
|
Ba2NaNb5O15, |
BaxSr1–xNaNb5O15, |
|
|
|
та, пъезополупроводниках типа А2В6 |
|
|
ВаТiO3, КNbO3. |
|
|
|
|
|
|
и А3В5 с примесями. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Наведенное |
двупреломление |
δ∆n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
возникает за счет «засветки» отно- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
сительно малой области кристалла |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(доли миллиметра по апертуре) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
лазерным лучом, интенсивность |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
которого достаточно высока, а |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
длина волны достаточно мала для |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
а |
|
|
|
|
проявления фоторефракции в дан- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ном кристалле. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Неоднородное распределение ин- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
тенсивности света приводит к воз- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
никновению |
градиентов концен- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
трации |
фотовозбужденных |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(неравновесных) носителей и их |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
направленной диффузии. |
|
|
|
|
|
|
|
б |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Кроме того, неоднородная осве- |
|
Распределение наведенного |
двупреломления |
|
щенность может приводить к по- |
|
|
δ∆n в кристалле LiNbО3 вдоль полярной оси: |
|
явлению фотовольтаического тока |
|
|
а – изменение показателя преломления; б – рас- |
|
(фотовольтаический эффект). |
|
|
|
|
|
|
пределение зарядов пластины |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Возникающее периодическое распределение интенсивности света создает периодическое распределение объемного заряда и соответствующее периодическое электрическое поле.
141
Вэлектрооптическом кристалле наведенное периодическое поле приводит к появлению периодического изменения ∆n, то есть к появлению фазовой дифракционной решетки.
Втаких практически важных кристаллах, как LiNbО3 и LiТаО3, фоторефракция определяется в основном фотовольтаическим эффектом.
Воснову модели фотовольтаиче-
ского эффекта положена идея о разделении заряда в результате
перезарядки примесных центров Fe2+ и Fe3+ (такую же роль могут
играть примеси Сu, Мо, Сr, Мn и др.).
Под действием света электрон от Fe2+ переходит к ближайшему Nb5+, движется по поляронному механизму и захватывается глубокой ловушкой, в качестве которой выступает ион Fe3+.
В этой модели ион Fe2+ выступает как донор, а ион Fe3+ – как акцептор.
Схема уровней в запрещенной зоне фоторефрактивного кристалла, обеспечивающих фотовозбуждение и захват носителей в результате перезарядки примесных центров: ω1 – вероятность ионизации Fe2+; ω2 – вероятность ионизации центров X; σ1 – сечение захвата на уровни глубоких ловушек Fe3+; σ2 – сечение захвата на уровни центров X; σm – сечение захвата на уровни мелких ловушек; γ – вероятность фотовозбуждеиия иона Nb+
Одна из основных возможностей снижения фоторефрактивной чувствительности – изменение соотношения концентраций фоторефрактивных центров ([Fe2+]/[Fe3+] для LiNbO3) или изменение их свойств, что может происходить при изменении способа размещения примеси в кристаллической решетке.
Воздействовать на фоторефрактивные центры можно с помощью окислительно-восстановительных отжигов, радиации и легирования.
Наиболее надежным, обеспечивающим стабильность полученных свойств способом воздействия на состояние центров является легирование.
Снижение фоторефракции в LiNbO3: Fe было обнаружено
при легировании кристаллов примесью Mg2+.
Впоследствии было показано, что и другие замещающие литий двух- и трехвалентные катионы (например, Zn, In, Sc) способны подавлять фоторефракцию в LiNbO3.
Эффект подавления фоторефракции резко проявляется при достижении некоторой пороговой концентрации нефоторефрактивной примеси.
Для примеси Mg пороговой
концентрацией |
является |
5,5 мол.%, а |
для Zn – |
7 мол.%. |
|
Наличие квадратичной нелинейности (отсутствие центра симметрии).
Наличие двулучепреломления, достаточного для обеспечения условий фазового синхронизма.
Высокое оптическое качество кристаллов, предопределяемое интерференционной природой квадра- тично-нелинейных эффектов.
Помимо этого, для нелинейных кристаллов желательны следующие дополнительные свойства:
стойкость материала к лазерному излучению;
неподверженность к появлению центров окраски под действием УФ и более коротковолнового излучений;
отсутствие фоторефрактивного эффекта и нелинейного поглощения;
устойчивость материала к воздействию внешней среды (негигроскопичность, твердость, устойчивость к резким изменениям температуры и т.п.);
большие значения угловой, температурной и спектральной ширин синхронизма.
Поскольку пока не существует нелинейных материалов с полным набором требуемых свойств, необходимо выбирать их оптимально, применительно к конкретному нелинейному оптическому устройству, с учетом его режимов и характеристик излучения накачки.
Применяемые нелинейные кристаллы по способу получения можно разбить на две группы:
Воднорастворимые кристаллы отно-
сятся к мягким материалам, они гигроскопичны, плохо выдерживают резкие температурные перепады, отличаются относительно малой нелинейностью.
кристаллы, выращиваемые из водных растворов;
кристаллы, выращиваемые из расплавов.
С другой стороны, эти кристаллы характеризуются высоким оптическим качеством на больших апертурах и длинах, легко синтезируются, стойки к лазерному излучению.
Область прозрачности воднорастворимых кристаллов, как правило, смещена по направлению к ближнему УФ-диапазону.
Кристаллы, выращиваемые из расплавов (высокотем-
пературные кристаллы),
тверды, негигроскопичны, хорошо выдерживают резкие изменения температуры, характеризуются высокой нелинейностью.
В то же время их оптическое качество заметно уступает качеству воднорастворимых кристаллов (что связано с физикой процесса выращивания), они более подвержены различным наведенным эффектам (типа фоторефрактивного); их стойкость к лазерному излучению значительно ниже стойкости воднорастворимых кристаллов.
Область прозрачности высокотемпературных кристаллов, как правило, смещена по направлению к ближнему ИК-диапазону.
145
17.1. Рекомендации по выбору нелинейных кристаллов для генерации второй гармоники
Исходя из значений коэффициентов нелинейной связи для генерации второй гармоники наиболее эффективен кристалл ниобата бария-натрия Ba2NaNb5O15.
Однако сравнительно низкая лазерная стойкость и трудности выращивания достаточно больших монодоменных образцов не позволяют рекомендовать его для генерации второй гармоники мощных импульсных лазеров.
Этот кристалл наиболее пригоден в случае внутрирезонаторной генерации второй гармоники непрерывных лазеров с внутрирезонаторной плотностью мощности не выше 106 Вт/см2; при этом оптимальная длина кристалла составляет 3–5 мм, обеспечивая выходную мощность гармоники в непрерывном режиме 1–2 Вт.
Достоинство ниобата бариянатрия – реализация некритического (близкого к 90-градус- ному) синхронизма, что позволяет применять сфокусированные пучки.
Однако этот кристалл требует жесткой температурной стабилизации и обеспечения близкого к идеальному (Bi = ∞) теплового контакта с термостатом; в противном случае возникает неустойчивость на температурной кривой синхронизма.
Тепловые самовоздействия в кристалле ниобата бария-натрия в связи с малой температурной шириной требуют введения отрицательной обратной связи по выходному излучению гармоники.
При использовании кристаллов иодата и ниобата лития, накачиваемых непрерывными лазерами, общий КПД генератора гармоники оказывается в 2–3 раза ниже, чем при использовании ниобата бария-натрия.
Для твердотельных непрерывно накачиваемых лазеров в режиме модуляции добротности используемые кристаллы должны быть высоконелинейными.
При этом часто применяют фокусировку излучения в кристалл в сочетании с режимом внутрирезонаторной генерации второй гармоники.
В подобных случаях пригодны кристаллы ниобата лития LiNbO3 и иодата лития
LiIO3.
Несмотря на то, что коэффициент нелинейной связи у ниобата лития почти вдвое больше, чем у иодата лития, последний может оказаться предпочтительнее вследствие более высокого оптического качества (иодат лития относится к воднорастворимым кристаллам) и возможности получения образцов с большой апертурой.
Кроме того, иодат лития характеризуется слабой по сравнению с ниобатом лития зависимостью угла синхронизма от температуры (это позволяет обходиться без термостата с регулятором температуры).
При использовании иодата лития можно не рассматривать влияние тепловых самовоздействий и эффекта фотопреломления.
При использовании ниобата лития в режиме внутрирезонаторной генерации второй гармоники в лазерах с непрерывной накачкой и модуляцией добротности можно получить более высокий КПД, чем при использовании иодата лития.
Однако схемы внутрирезонаторной генерации второй гармоники с ниобатом лития оказываются более сложными, так как требуют применения прецизионных регуляторов температуры, охваченных цепью отрицательной обратной связи.
В твердотельных лазерах с импульсной накачкой, характеризующихся мощностями в импульсе основного излучения 1–10 МВт и частотами повторения импульсов 10–100 Гц, могут применяться кристаллы ниобата и иодата лития.
При небольших плотностях мощности основного излучения (30–50 МВт/см2) предпочтителен иодат лития, не требующий прецизионной стабилизации температуры, однако при этом необходимо применять последовательно размещенные кристаллы для компенсации диафрагменного апертурного эффекта.
При возрастании плотности мощности основного излучения до значений ~ 100 МВт/см2 обычно применяют кристаллы ниобата лития в схемах с термостабилизаторами и цепями обратной связи (для устранения неустойчивости температурной кривой синхронизма).
Дальнейшее повышение плотности мощности излучения требует обращения к воднорастворимым кристаллам группы KDP.
Кристаллы KDP и ADP наиболее целесообразно использовать в случае одномодового лазера при средней мощности 1–2 Вт.
Для лазеров со средней мощностью порядка 10 Вт лучше использовать их дейтерированные аналоги (DKDP
и DADP).
Кристаллы KDP (DKDP) можно использовать также и в многомодовом режиме при условии применения схем с компенсацией углового апертурного эффекта.
Коэффициент нелинейной связи кристалла KDP и DKDP при оее-синхронизме и высокое оптическое качество в сочетании с малой расходимостью одномодового излучения обеспечивают высокую эффективность преобразования (30–40 %).
Следует учитывать, что кристаллы группы KDP плохо выдерживают резкие температурные перепады, а потому нагревать или охлаждать их можно со скоростью не более 5 °С/мин.
148
17.2. Иодат лития
Практический интерес к кристаллу иодата лития обусловлен тем, что его эффективный нелинейный коэффициент сравним с коэффициентом для кристалла ниобата лития, и в то же время для него не существует проблем, связанных с оптически наведенными неоднородностями, которые сильно ограничивают применимость ниобата лития.
При температурах выше 240 °С происходит частичное разложение LiIO3 с выделением I2O3, что не позволяет выращивать иодат лития из расплава.
Поскольку иодат лития растворим в воде, то эти кристаллы выращиваются из водных растворов при температурах, близких к комнатной.
При выращивании кристаллов из водных растворов при температурах выше 75 °С образуются кристаллы моноклинной сингонии (пространственная группа
P2/n) с параметрами ячейки a = 0,9722 нм, b = 0,9725 нм, c = 0,61517 нм, β = 90,01°.
Наибольшее распространение при выращивании кристаллов получил метод изотермического испарения растворителя.
Для выращивания используются стеклянные кристаллизаторы, в которых обеспечивается вращение затравки в растворе и с помощью терморегулирования поддерживается заданная температура.
Удаление растворителя может происходить дозируемым отбором конденсата, собираемого в специальный сборник.
Кристаллы LiIO3 высокого оптического качества обычно выращивают из растворов, кислотность которых pH 1,5–2,5, т.е. кристаллы иодата лития фактически растут в системе LiIO3 – НIO3 – Н2О.
Ионы водорода активно входят в растущий кристалл, так что кристалл фактически является твердым раствором вычитания Li1–хНхIO3.
В таком кристалле концентрация НIO3 может достигать 30 %, а структура LiIO3 когерентно сопрягается со структурой Li1–хНхIO3.
О присутствии водорода в кристалле свидетельствует полоса поглощения в области 3,4 мкм (в нейтральных кристаллах эта полоса отсутствует).
Получить кристаллы, в которых ионы водорода частично не замещают ионы лития, можно только при выращивании из нейтральных растворов, однако в этом случае трудно получить кристаллы высокого оптического качества.
Поэтому для повышения устойчивости процесса роста и оптического качества кристаллов в раствор специально вводится йодноватая кислота.
Показатели преломления α-LiIO3 
λ, нм |
400 |
436 |
500 |
530 |
578 |
690 |
800 |
1060 |
no |
1,948 |
1,931 |
1,908 |
1,901 |
1,888 |
1,875 |
1,868 |
1,860 |
ne |
1,780 |
1,766 |
1,754 |
1,750 |
1,742 |
1,731 |
1,724 |
1,719 |
Показатели преломления иодата лития слабо зависят от температуры, а потому для получения синхронной генерации второй гармоники используется угловая перестройка.
Угол синхронизма при генерации второй гармоники излучения гелий-неонового лазера (длина волны 1,084 мкм) составляет 28,9° с осью с; для длины волны 1,1523 мкм этот угол равен 27,2°.
По нелинейным характеристикам α-LiIO3 сопоставим с ниобатом бария-натрия и существенно превосходит ниобат лития и иодноватую кислоту.
d312ω = (2,6±0,5) d312ω LiNbO3 = (1,8±0,7) d142ω HIO3 = (0,9±0,2) d322ω Ba2NaNb5O15.
150
Эти примеси были названы нефоторефрактивными. 
Нелинейные кристаллы должны отвечать трем основным требованиям: 
В отличие от иодата в ниобате лития возможен 90-градусный синхронизм. 
