Введение к работе
Актуальность темы. Кристаллы с регулярной доменной структурой (РДС) широко используются в различных областях техники, таких как акустоэлектроника, электрооптика, акустооптика, нелинейная оптика и т.д.
Начиная с конца 80-х годов наблюдается резкий рост активности в этой области, связанный в основном с потенциальным массовым применением кристаллов с РДС для преобразоеания частоты лазерного излучения.
Наиболее интенсивно в этом отношении исследуются кристаллы ниобата лития с регулярной доменной структурой, во-первых, с целью применений, и, во-вторых, с целью совершенствования технологии их получения. Оба направления тесно связаны между собой, поскольку для эффективных нелинейно-оптических устройств нужны более совершенные структуры.
Можно выделить две актуальные проблемы: проблему возможности эффективного использования кристаллов, получаемых с помощью уже развитых технологий, и проблему преодоления серьезных препятствий, вставших на пути получения РДС с необходимыми для массовых применений параметрами.
Наилучшие результаты для объемных преобразователей частоты к настоящему времени были получены на кристаллах, полученных методом выращивания в асимметричном тепловом поле и особенно, в последнее время, на пластинах со структурами, изготовленными методом переполяризации с использованием электродов-масок.
РДС в кристаллах ниобата лития, полученные методом выращивания, имеют, в принципе, объем в несколько кубических сантиметров, однако из-за нестабильности периода практически можно использовать только короткие элементы длиной не более 1-2 мм. Пластины с РДС, полученной методом переполяризации, не превышают по толщине 0,5 мм, но имеют высокую стабильность периода, что позволяет использовать элементы с эффективной длиной в несколько сантиметров. Для обоих методов существуют ограничения и на минимальный период РДС. Для первого метода период менее 3 мкм удается получать только при выращивании очень тонких кристаллов, диаметром менее 1 мм. Во втором случае периоды менее 3-5 мкм устойчиво формируются только для тонких пластин толщиной 200 мкм и менее, В то же время для эффективного преобразования частот в синей и ультрафиолетовой части спектра, сулящего наиболее массовые приложения, требуются периоды как раз менее 3 мкм.
Вышесказанное определяет актуальность постановки задачи данной работы — повышения эффективности преобразования частоты в существующих объемных кристаллах ниобата лития с РДС и формирования микродоменов под действием электрического ПОЛЯ.
Состояние проблемы. К началу данной работы были исследованы возможности лишь коллинеарных процессов преобразования частоты в кристаллах с РДС, а содержательное исследование процессов переполяризации в ниобате лития с целью создания РДС проводилось практически только на стадии бокового роста доменов.
Основная цель работы состояла в поисках возможностей расширения потенциальных применений кристаллов ниобата лития с РДС путем расчета эффективности неколлинеарного преобразования частоты объемных РДС с реальными параметрами и путем изучения начальной стадии процессов переполяризации — образовании микродоменов — в толстых пластинах ниобата лития как первой стадии получения РДС с малым периодом.
Научная новизна полученных в диссертации результатов состоит в следующем:
-
Показано, что в отличие от однородных нелинейных сред, в кристаллах ниобата лития с РДС можно одновременно выполнить условия квазисинхронного взаимодействия для процесса удвоения частоты и невырожденного параметрического усиления трех волн с кратными частотами ю, 2а, Зш и, таким образом, создать условия для 100% перекачки интенсивной волны накачки частоты Зсо в волну с частотой 2а.
-
Впервые детально проанализирован процесс неколлинеарного преобразования частоты в кристаллах с РДС. Найдено, что эффективность неколлинеарного преобразования может, несмотря на эффекты сноса, превышать эффективность коллинеарного преобразования в реальных кристаллах с нестабильным периодом РДС.
-
Обнаружено, что использованный способ переполяризации ниобата лития с помощью игольчатого электрода позволяет получать микродомены субмикронных размеров у поверхности кристалла при напряжениях на электроде на один-два порядка меньших, чем в случае традиционных методов. Показано, что этот способ в сочетании с оптической микроскопией дает возможность изучать процессы переполяризации в реальном времени, регистрировать не только динамику переключения доменов, но и распределение заряда у поверхности и в объеме кристалла.
-
Найдено, что при температуре 150-200С и напряжении более 3 кВ на острие игольчатого электрода, в легированных магнием кристаллах ниобата лития можно "вырастить" домены шестигранного сечения, проходящие сквозь образцы толщиной 3
5 мм, динамика роста которых показывает ряд явлений аналогичных таковым при выращивании кристаллов.
Практическая значимость работы. Предложен способ формирования микродоменов у поверхности кристаллов ниобата лития, основанный на локальном приложении поля с помощью игольчатого электрода. Развитие этого способа сулит создание альтернативной технологии получения регулярных доменных структур для применений в нелинейной оптике.
На защиту выносятся следующие основные положения:
В отличие от однородных нелинейных сред, в кристаллах ниобата лития с РДС могут быть осуществлены различные варианты параметрического преобразования света с кратными частотами при одновременном удвоении частоты холостой волны.
Эффективность неколлинеарного преобразования частоты в объемных кристаллах ниобата лития с РДС может превышать эффективность коллинеарного преобразования в реальных кристаллах с нестабильным периодом доменной структуры.
Зародышеобразование доменов в локально приложенном неоднородном поле не зависит от имеющихся линейных дефектов, таких как выходы дислокаций, и степени чистоты поверхности кристалла, но в большой степени зависит от наличия и динамики распространения заряда вдоль его поверхности.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам /секция физики/ "ЛОМОНОСОВ-96" и на семинаре Лаборатории им. Э. Гинзтона Стэнфордского Университета, декабрь 1996 г.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитированной литературы. Объем диссертации составляет 103 страницы текста, включая 26 рисунков, 1 таблицу и список литературы из 85 наименований.
