Введение к работе
Актуальность темы.
В связи с масштабным применением лазеров и лазерных систем в различных областях фундаментальных и прикладных научных исследований, а также с их многоцелевым использованием в медицине и технике потребность в материалах, позволяющих расширить спектральный диапазон и создать приборы для детектирования, преобразования частот оптических сигналов и изображений, значительно расширилась Функции управления лазерным излучением и его преобразования выполняют нелинейно-оптические материалы Физические исследования в области взаимодействия световых волн в нелинейных кристаллах показали, что преобразование частоты лазерного излучения в кристаллах с квадратичной и кубической нелинейными восприимчивостями является мощным методом, широко применяемым в современной квантовой электронике и лазерной физике
Для преобразования излучения используются такие физические явления, как преобразование гармоник, голографическая запись информации, параметрическая генерация света (ПГС) и вынужденное комбинационное рассеяние света (ВКР- преобразование)
Активный поиск высокоэффективных нелинейных материалов продолжается и в настоящее время Наиболее актуальными проблемами, связанными с их применением, на сегодня являются
Создание лазерных источников со строго спектрально позиционированным излучением для дистанционного резонансного воздействия на атомные и молекулярные системы, обладающие узкими спектральными резонансами, базируется на преобразовании излучения существующих лазеров в более коротковолновую или в более длинноволновую части спектра
Создание многофункциональных лазерно-рамановских сред, позволяющих генерировать мощное когерентное излучение на многих новых длинах волн и осуществлять дискретную перестройку частоты излучения
Получение эффективной лазерной генерации на длине волны в районе 1,55 мкм, в так называемом «третьем телекоммуникационном окне», где телекоммуникационные сети развиваются наиболее интенсивно
Разработка гибридных систем с использованием микролазеров и других микрооптических элементов, а также фотонных приборов, создаваемых на основе интегральной оптики
Разработка эффективных фоторефрактивных сред для голографической записи информации, создания обращающих волновой фронт (ОВФ) зеркал, оптических усилителей и Фурье-преобразователей
Важным вопросом прикладной нелинейной оптики является выбор оптимального нелинейного материала для конкретного применения
Использование многокомпонентных составов оксидных соединений дает большое число новых материалов с радикально различающимися свойствами, контролируемыми в широких пределах как за счет изменения соотношения основных компонентов, так и легирующих добавок, и обеспечивает прогресс в области оптического материаловедения Отметим,
что перспективы в развитии технологии оксидных многокомпонентных нелинейно-оптических монокристаллов диктуются потребностями практики, которые в свою очередь формируются фундаментальными исследованиями в области физики и химии таких материалов Поэтому поиск новых нелинейно-оптических материалов и разработка технологий получения оптически совершенных кристаллов с высокими нелинейно-оптическими и электрооптическими параметрами для нелинейной фоторефрактивной оптики, управления лазерным излучением, для преобразования лазерного излучения в новые спектральные диапазоны является актуальной задачей В свою очередь разработка кристаллических сред, объединяющих в себе свойства лазерной и нелинейной среды, позволит более эффективно решать материаловедческие и технологические проблемы, создавая базу для дальнейшего развития твердотельной квантовой электроники
В данной работе рассматриваются многокомпонентные оксидные материалы с различным типом структуры, а именно твердые растворы ниобата бария — стронция со структурой тетрагональных калий-вольфрамовых бронз, молибдаты и вольфраматы щелочноземельных металлов со структурой шеелита, кристаллы боратов с моноклинным типом структуры
Исследуемые в данной работе кристаллические материалы обладают многими интересными и практически важными свойствами Возможность их использования в современных технологиях стимулирует как проведение глубоких научных исследований этих материалов, так и разработку методов получения оптически совершенных монокристаллов
Цель работы - разработка технологии многокомпонентных оксидных кристаллов с контролируемыми нелинейно-оптическими свойствами путем кристаллизации из расплавов сложного химического состава, в том числе
технологии монокристаллов твердых растворов ниобата бария-стронция высокой степени оптического совершенства на основе модифицированного способа Степанова для нелинейной фоторефрактивной оптики,
технологии крупных оптически однородных монокристаллов вольфрамата бария с использованием метода Чохральского для создания эффективных ВКР-преобразователей,
технологии кристаллов вольфраматов и молибдатов щелочноземельных металлов, легированных неодимом, для получения монокристаллических материалов, обладающих одновременно функциями активной и нелинейно-оптической среды,
- установление изоморфной емкости материалов по отношению к
легирующим компонентам для эффективного управления свойствами
кристаллов через их химический состав,
- исследование взаимосвязи дефектообразования с физико-химическими
условиями кристаллизации,
- установление зависимостей физических свойств от состава и структуры
многокомпонентных оксидных кристаллов
Научная новизна.
1 Разработана технология высокооднородных кристаллов SrxBai_xNb206
(SBNx) составов SBN 61, SBN 75, как номинально чистых, так и
легированных примесями Се, La, Ce+La
Установлены закономерности влияния примесей редкоземельных и переходных металлов на структурные, сегнетоэлектрические, электрооптические, пьезоэлектрические, электрические и фоторефрактивные параметры монокристаллов твердых растворов ниобата бария-стронция Показано, что введение редкоземельных и переходных металлов сопровождается значительным снижением температуры фазового перехода Тр и увеличением его размытия, что приводит к возрастанию ряда практически важных параметров твердых растворов SBN и возможности модифицирования их характеристик в широких пределах без снижения оптического качества кристаллов
Выявлено влияние технологических условий на однородность химического состава и устойчивость процесса кристаллизации профилированных кристаллов ниобата бария-стронция, что позволило разработать технологию кристаллов высокого оптического качества, обладающих воспроизводимыми характеристиками при использовании модифицированного способа Степанова
Исследованы процессы переключения и поляризации кристаллов SBN и определены оптимальные режимы процессов поляризации для кристаллов SBN 75 и SBN61, гарантирующие получение устойчивого монодоменного состояния.
Исследованы фоторефрактивные характеристики монокристаллов SBN измерены коэффициенты двухволнового усиления и времена записи голограмм, рассчитаны фоторефрактивные параметры для концентрационных серий кристаллов SBN, легированных Се, Cr, Tm,Co, La, Yb, Ni, Ce+La
На основе монокристалла SBN 61 Yb3+ (подложка) и опаловой матрицы S1O2 ЕггОз (пленка) создана фотонно-кристаллическая структура
7 Продемонстрировано влияние состава исходного расплава, температурных
и временных режимов роста, объемной (массовой) скорости кристаллизации
на реальную структуру и оптическое качество монокристаллов вольфраматов
и молибдатов бария, стронция и кальция, выращиваемых из расплавов
методом Чохральского, что позволило разработать технологию крупных
однородных монокристаллов вольфрамата бария Определены оптимальные
составы лигатуры при выращивании кристаллов шеелитов, легированных
неодимом, что позволило повысить эффективные коэффициенты
распределения активного иона в данных матрицах
8 Исследованы особенности полиморфного превращения на
поликристаллических и монокристаллических образцах ВаВ204 Обнаружен
двухстадийный процесс фазовых превращений, которым сопровождается
нагревание а-модификации от комнатной температуры до 950С
9 Установлен оптимальный состав лазерного кристалла
Ybo385Eroo2sGdo59Ca40(B03)3, выращены оптически однородные кристаллы
этого состава и изготовлены активные элементы для микрочиплазеров
Основные защищаемые положения.
Конструктивно-технологические решения в области применения модифицированного способа Степанова для выращивания кристаллов сложных оксидных соединений из расплавов
Результаты исследований закономерностей влияния примесей редкоземельных и переходных металлов на функциональные характеристики монокристаллов твердых растворов ниобата бария-стронция
3.Результаты исследований влияния параметров ростовых процессов на оптическую однородность монокристаллов вольфраматов и молибдатов бария, стронция и кальция
4 Методики формирования поликристаллического и монокристаллического
бората бария а- и (3- модификаций
5 Состав и способ получения лазерного кристалла кальций-гадолиниевого
оксобората, легированного эрбием и иттербием
Практическая значимость «наботы.
Разработан способ получения объемно-профилированных монокристаллов - модифицированный способ Степанова, обеспечивающий получение кристаллов сложных оксидных соединений высокого оптического качества,
Разработана технология получения монокристаллов твердых растворов ниобата бария-стронция, как номинально чистых, так и легированных примесями редкоземельных и переходных металлов, высокого оптического качества, обладающих воспроизводимыми характеристиками,
Разработана технология воспроизводимого получения крупных монокристаллов вольфрамата бария оптического качества для создания ВКР-лазеров,
Исследованы структурные характеристики и физико-химические свойства широкого ряда номинально чистых и легированных твердых растворов SBN Полученные данные по сегнетоэлектрическим, электрооптическим, фоторефрактивным свойствам этих материалов могут служить справочными данными при их использовании в приборах оптоэлектроники и голографических устройствах,
Установлено, что кристаллы SBN 61 Yb3+, обладающие широкими спектрами поглощения и люминесценции и характерной доменной структурой, представляют собой перспективную среду для перестраиваемых лазеров в ближнем ИК-диапазоне (1010-1110 нм) при накачке диодными лазерами без специальных требований к угловой или температурной подстройке Использование этого материала в качестве подложек при формировании фотонно-кристаллических структур открывает возможные пути к созданию новых элементов оптоэлектроники
Предложен способ неразрушающего контроля оптического качества прозрачных объектов, основанный на записи динамических голограмм в фоторефрактивном кристалле и обеспечивающий получение усиленного изображения объекта исследования размерами от 1 до 40 мм
На основе разработанных нами активных и нелинейно-оптических материалов созданы элементы нелинейной фоторефрактивной оптики и разработан ряд твердотельных лазеров и ВКР-преобразователей частоты
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международных и национальных конференциях на I Всесоюзной конференции «Материалы для оптоэлектроники» (1980, - Ужгород, СССР), на П, VII и VIII Всесоюзных конференциях по росту кристаллов (1982, 1988 и 1992, Харьков, Украина), на Всесоюзной научной конференции «Физика диэлектриков» (1982, Баку), на Всероссийских конференциях по физике сегнетоэлектриков (ВКС) (1982, Минск, 1999, Азов, 2002, Тверь, 2005, Пенза), на II Всесоюзной конференции по физико-химическим основам технологии сегнетоэлектрических и родственных материалов (1983, Звенигород), на КНТСК-5 (1986), на VI Всесоюзном совещании «Химия и технология неорганических соединений бора» (1987), на VI Всесоюзном совещании по химии силикатов и оксидов (1987), на X Совещании по получению профилированных кристаллов (1988, Ленинград), на Тематических встречах по фоторефрактивным материалам, эффектам и приборам (1990, Франция, 1991, Беверли, США, 1993, Киев, Украина, 1997, Чиба, Япония, 1999, Эльсинор, Дания), на Международном конгрессе по оптическим наукам и технологиям (1990, Нидерланды), на Симпозиуме по спектроскопии кристаллов (Феофиловские чтения) (1990), на Конференциях «Оптика лазеров» (1990, Ленинград, СССР, 1998, Санкт-Петербург, Россия), на ISAF-11 (1998), на Европейской конференции по росту кристаллов (1991, Будапешт), на XIV Конференции по когерентной и нелинейной оптике (1991, Ленинград), на II Советско-индийском симпозиуме по росту кристаллов и характеризации (1991), на I Pacific Rim Международной конференции по передовым материалам и обработке (1992), на Международных конференциях CLEO/Europe-EQEC (1993 и 1994, Анахайм, США, 2003, Мюнхен, Германия), на XI, XII, XIII и XIV Международных конференциях по росту кристаллов (1995, Гаага, Нидерланды, 1998, Иерусалим, Израиль, 2001, Киото, Япония, 2004, Гренобль, Франция), на Всероссийских совещаниях «Выращивание кристаллических изделий способом Степанова, пластичность и прозрачность кристаллов» (1998 и 2003, Санкт-Петербург, Россия), на Международной конференции по росту и физике кристаллов (1998, Москва, Россия), на III Международной конференции «Рост монокристаллов, проблемы прочности и тепломассоперенос» (ICSC-99, Обнинск, Россия), на Международных конференциях «Кристаллы рост, свойства, реальная структура, применение» (1999, 2001 и 2004, Александров, Россия), на Конференции E-MRS (1999, Страсбург, Франция), на IX Европейской конференции по сегнетоэлектричеству (1999, Прага, Чехия), на Конференции MRS (2000, Страсбург, Франция), на Международных конференциях по лазерной физике (1999, Будапешт, Венгрия, 2000, Бордо,
Франция, 2001, Москва, Россия, 2002, Братислава, Словакия), на
Конференциях ACCGE-11 и ACCGE-12 (1999, Таксон, США, 2000, Вэйл,
США), на Конференции по передовым твердотельным лазерам (ASSL'99), на
IX, X, XI и XII Национальных конференциях по росту кристаллов (2000,
2002, 2004 и 2006, Москва, Россия), на Конференции ECAPD-5 (2000, Рига,
Латвия), на Конференции по сегнетоэлектрическим релаксорам (2000, Дубна,
Россия), на Международных конференциях по электронным материалам
IUMRS-ICEM (2000, Страсбург, Франция, и 2002, Ксиань, Китай) на
Международных конференциях по твердотельным кристаллам (2000, 2002,
2004,2007, Закопане, Польша), VI Китайско-Российском симпозиуме «Новые
материалы и технологии» (2001, Пекин, КНР), на Международных
конференциях по физике лазерных кристаллов «ICPLC» (2002, 2005,
Украина), на Международной конференции по квантовой электронике и
конференции по лазерам, применениям и технологиям (IQEC/LAT'2002,
Москва, Россия), на IV Румынской конференции по передовым материалам
(ROCAM'2003, Констанца, Румыния), на II Международной Конференции
памяти МП Шаскольской (2003, Москва), на Конференции по физике
излучения (2003), на Международных конференциях по материаловедению и
физике конденсированного состояния (2004 и 2006, Кишинев, Молдова), на
XV Международной конференции по дефектам в изоляционных материалах
(ICDIM'2004, Рига, Латвия), на Международной конференции
«Кристаллические материалы'2005»(1ССМ'2005, Харьков, Украина), на
Международной конференции по вакуумно-ультрафиолетовой
спектроскопии и взаимодействию излучения с твердым телом («VUVS 2005», Иркутск, Россия), на Конференции «Кристаллофизика XXI века» (2006, г Черноголовка), на IV Международном симпозиуме по лазерным, сцинтилляционным и нелинейно-оптическим материалам ISLNOM'4 (2006, Прага, Чехия), на X Еврофизической конференции по дефектам в изоляционных материалах (2006, Милан, Италия), на Российско-японском симпозиуме (RCBJSF8-2006), на Конференции «Функциональные материалы и нанотехнологии» (FMNT2007, Рига, Латвия)
Публикации. По теме диссертации опубликовано 103 печатных работы, в том числе 4 авторских свидетельства на изобретения
Структура и объем диссертации, Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных результатов и выводов, списка цитируемой литературы, списка публикаций по теме диссертации Содержит 287 страниц, в том числе 128 рисунков, 49 таблиц в тексте, библиографию из 256 названий
