Получение и электрофизические свойства кристаллов gtr-ktp

УДК 534.8

И.А. Паргачёв, В.А. Краковский, Л.Я. Серебренников,

А.Е. Мандель, С.М. Шандаров, А.В. Пуговкин, Ю.В. Кулешов, Г.И. Шварцман

Получение и электрофизические свойства кристаллов ОТР-КТР

Раствор-расплавным методом выращены высокоомные кристаллы КТР. Исследованы электропроводность и электрооптические коэффициенты выращенных кристаллов. Измеренная электропроводность составляла с = 2-10-12 Ом-1 см-1.

Ключевые слова: кристаллы КТР, высокоомный КТР, электропроводность, электрооптиче-ский коэффициент.

Кристаллы КТР имеют ряд преимуществ перед другими кристаллами, используемыми в нелинейной оптике. Кристаллы КТР обладают высокими нелинейно-оптическими свойствами, большой лазерной прочностью, высокой оптической однородностью и невысокими значениями управляющих напряжений. Фактически кристаллы КТР заметно превосходят другие известные нелинейнооптические материалы для таких применений, как удвоение частоты при построении лазеров зеленого света и импульсных лазеров пикосекундной и фемтосекундной длительности [1, 2].

Выращивание кристаллов КТР. Кристаллы КТР не могут быть получены из собственных расплавов, так как они плавятся с разложением при температуре выше 1150 °С. Поэтому для получения этих кристаллов используются растворные методы выращивания - гидротермальный и рас-твор-расплавный.

Впервые кристаллы КТР были выращены гидротермальным методом [3, 4]. По своим свойствам, в частности по ионной проводимости, они были лучше, чем кристаллы, полученные позднее раствор-расплавным методом. Однако малые скорости роста (доли миллиметра в сутки), трудности в осуществлении динамических режимов роста и сложности в управлении процессом из-за необходимости работы с автоклавами высокого давления и, в свою очередь, успехи в получении более совершенных кристаллов раствор-расплавной кристаллизацией в последующие годы привели к тому, что большинство кристаллов КТР выращивают раствор-расплавным методом [1].

Несомненные преимущества раствор-расплавного метода:

- большие скорости роста (до 1 мм в сутки);

- работа с открытым тиглем, которая позволяет на определенных стадиях процесса вводить в раствор-расплав мешалку для перемешивания раствор-расплава, пробные затравки для определения температуры насыщения, термопару для определения распределения температуры в объеме раствора расплава (тепловое поле в растворе-расплаве);

- простота в реализации динамических режимов вращения и вытягивания затравочного кристалла и отделение выросшего кристалла после окончания процесса роста.

Для выращивания кристаллов КТР нами использовалась одна из разновидностей раствор-расплавного метода, при котором в процессе роста затравка, опущенная в самую холодную приповерхностную часть раствор-расплава, медленно вытягивается и одновременно вращается реверсивно с соответствующим ускорением и замедлением. Рост идет за счет понижения температуры расплава. Ниже температуры насыщения раствор-расплав становится пересыщенным, и на затравке, размещенной в самой холодной части раствора расплава (приповерхностная область) проходит кристаллизация.

Процесс выращивания начинается с приготовления раствор-расплава. Исходные реактивы особой чистоты, выпускаемые промышленно в виде солей КН2Р04, К2НР04 и оксида ТЮ2, в определенной пропорции загружаются в платиновый тигель и расплавляются.

В результате химических реакций в раствор-расплаве при температурах 1000^1100 °С образуется ненасыщенный раствор КТЮР04 в растворителе К20, К4Р207 или КР03, К4Р207 в зависимости от соотношений исходных реактивов.

После приготовления раствор-расплава тигель с раствор-расплавом помещают в ростовую печь с определенным распределением температуры (тепловым полем), в раствор-расплав помещают пла-

тиновую мешалку и проводят вымешивание в течение нескольких суток для получения гомогенного, насыщенного раствор-расплава. Затем производится измерение температуры по высоте раствор-расплава и с помощью пробных затравок определяется температура насыщения раствор-расплава.

Далее в раствор-расплав загружается основная затравка определенной формы и ориентации. В самом же процессе роста мы контролируем и изменяем несколько независимых параметров: скорость снижения температуры в раствор-расплаве; скорость вращения растущего кристалла и параметры реверсивного вращения; скорость вытягивания растущего кристалла. Кроме того, по весам, на которых непрерывно взвешивается растущий кристалл, контролируется вес растущего кристалла. Выбор большинства этих параметров традиционно проводился эмпирически и в ряде последующих экспериментов уточнялся и изменялся.

После проведения процесса роста, в течение которого температура раствор-расплава понижается на 70-80 °С, вращение растущего кристалла прекращается, кристалл поднимается над раствор-расплавом на 2^3 мм, а температура раствор-расплава понижается со скоростью 20-30 °С/ч до комнатной темнературы.

По разработанной нами методике были выращены кристаллы ОТЯ-КТР (высокоомные кристаллы КТР) весом 300-320 г, размерами 35x60x110 мм по осям х, у г соответственно. Полученные кристаллы разрезались на пластины 2-среза для измерения электрофизических характеристик кристаллов.

Измерение электропроводности кристаллов. Использование монокисталлов КТР в электрооптике ограничивается электрохромной деградацией кристаллов в электрических полях [5, 6]. Это связано с тем, что кристаллы КТР обладают высокой ионной проводимостью, что приводит при включении электрического поля к инжекции материала электродов в кристалл. Электропроводность кристаллов меняется в зависимости от приложенного напряжения.

Для измерения электропроводности кристалла нами использовалась установка, схема которой приведена на рис. 1.

Кристалл ОТЯ-КТР толщиной 2 мм вдоль оси г с напыленными электродами помещался в специальный держатель. Постоянное напряжение питания подавалось от источника ИВН-3 и изменялось в процессе измерения от 500 до 2000 В с интервалом 100 В. Последовательно с кристаллом было включено сопротивление Я = 20 МОм. Падение напряжения на сопротивлении измерялось ламповым вольтметром с входным сопротивлением 17 МОм. Результаты измерения электропроводности кристалла вдоль оси г в зависимости от приложенного к кристаллу напряжения приведены на рис. 2. Погрешность измерений не превышала 10%.

о’Ю1-. -

Ом !см1

1

0,5

0

500 1000 1500 С/, В

Рис. 2. Зависимость электропроводности кристалла вТЯ-КТР от приложенного напряжения

Как видно из приведенного графика, ионная проводимость с кристалла вТЯ-КТР вдоль оси г в диапазоне 500-2000 В не превышает 2х10-12 Ом-1см-1.

Измерение электрооптических коэффициентов кристаллов. В кристаллах КТР в матрице электрооптических коэффициентов содержится пять ненулевых компонент Г13, Г23, Г33, Г42 и Г51. Элек-трооптические компоненты тензора электрооптических коэффициентов Гу существенно различаются для различных направлений распространения света и ориентации его поляризации. Если внешнее электрическое поле имеет только компоненту Ег , волновая нормаль параллельна оси у кристалла, а поляризация света ориентирована по оси г, то наведенное полем двулучепреломление определяется

♦ ♦

♦ ♦

Кристалл

Я

ИВН-3

©

Рис. 1. Схема установки для измерения электропроводности кристаллов

коэффициентом r33. При ориентации поляризации света по оси х наведенное полем двулучепрелом-ление определяется коэффициентом r13.

Для измерения электрооптических коэффициентов кристалла была собрана экспериментальная установка, схема которой приведена на рис. 3.

Рис. 3. Установка для измерения электрооптических коэффициентов кристаллов:

1 - He-Ne лазер (X = 633 нм); 2 - делительная пластинка; З - поляризатор; 4 - кристалл;

5 и 6 - собирающие линзы; 7 - видеокамера;

8 - компьютер; 9 - источник высоковольтного напряжения

В качестве источника излучения использовался Нс-Ыс лазер с круговой поляризацией 1. Выходящий из лазера луч света делился пластинкой 2 на два параллельных пучка, один из которых проходил через кристалл 4. Линейная поляризация обоих световых пучков задавалась поляроидом 3. Измерения проводились с тремя кристаллами ОТЯ-КТР размерами 2x10x2 мм по осям х, у, 2 соответственно, вырезанных из одной були. Излучение лазера направлялось вдоль оси у кристаллов. Внешнее электрическое поле прикладывалось вдоль оси г с помощью металлических электродов, напыленных на кристалл. Электрическое поле задавалось источником высоковольтного напряжения 9 в диапазоне от 0 до 2000 В с дискретностью 100-200 В. В области сведения лучей образовывалась интерференционная картина, которая регистрировалась с помощью видеокамеры 7 и передавалось на персональный компьютер 8. Характер смещения интерференционной картины в зависимости от приложенного напряжения представлен на рис. 4.

Рис. 4. Смещение интерференционной картины в зависимости от приложенного напряжения:

а - 0; б - 300; в - 600 В

Поляризация входящего в кристалл света была направлена либо вдоль оси х, либо вдоль оси г для измерения электрооптических коэффициентов Гі3 и г33 соответственно. Интерференционные картины обрабатывались по специальной программе, реализованной в среде МаШСАБ. Типичные зависимости смещения фазы интерференционной картины от приложенного напряжения представлены на рис. 5.

а б

Рис. 5. Характерное смещение фазы интерференционной картины от приложенного к кристаллу напряжения: а - электрическое поле, приложенное вдоль оси х;

б - электрическое поле, приложенное вдоль оси у

Фазовая задержка, вносимая кристаллом, при поляризации света по осям х и г определяется по формулам:

3 7

. п*ПуГ13 тт I

ДФ х =-т-13-и •-,

Л а

3

. _ П-ПхГ13 гт I

ДФ г = ~^-и •-,

Л а

где I - длина кристалла; а - толщина кристалла; пх и пг - показатели преломления для длины волны

X = 633 нм.

При расчете электрооптических коэффициентов г13 и г33 показатели преломления брались равными пг = 1,867 и пх = 1,764 [7]. Рассчитанные по формулам (1, 2) электрооптические коэффициенты составляли: г13 = 9,031 пм/В, г33 = 39,11 пм/В для первого образца; г13 = 9,565 пм/В, г33 = 36,07 пм/В для второго образца; г13 = 9,244 пм/В, г33 = 37,44 пм/В для третьего образца. Различие электроопти-ческих коэффициентов образцов может быть связано как с погрешностями эксперимента, так и с неоднородностями були, из которой были вырезаны образцы.

Работа выполнена при финансовой поддержке программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)» и ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (Гос. контракт № 02.740.11.0553).

Литература

1. Блистанов А. А. Кристаллы квантовой и нелинейной оптики: учеб. пособие для студентов. -М.: МИСИС, 2000. - 232с.

2. Сорокина Н.И. Закономерные связи состав-структура-свойства в кристаллах семейства ти-танил-фосфата калия, установленные методами прецизионного рентгеноструктурного анализа: ав-тореф. дис... д-ра хим. наук. - М., 2006. - 46 с.

3. Satyanarayan M.N., Deepthy A., Bhat H.L. Potassium titanyl phosphate and itsisomorphs: growth, properties and applications // Critical Reviews in Solid State and Materials Siences. - 1999. - Vol. 24, № 2. - P. 103- 191.

4. Hydrothermal growth of KTP in the medium range of temperature and pressure / S.Q. Jia, H.D. Niu, J.G. Tan et al. // J. Crystal Growth. - 1990. - Vol. 99. - P. 900-904.

5. Применение модуляторов на кристаллах KTP в Nd^AG-лазерах с высокой средней мощностью / В. А. Русов, В. А. Серебряков, А.Б. Каплун, А.В. Горчаков // Оптический журнал. - 2009. -Т. 76, № 6. - С. 6-7.

6. Электрохромный эффект в кристаллах титанат фосфата / В.В. Лемешко, В.В. Обуховский, А.В. Стоянов и др. // Укр. физич. журнал. 1986. - Т. 31, № 11. - С. 1747-1750.

7. Гурзадян Г.Г. Нелинейно-оптические кристаллы. Свойства и применение в квантовой электронике: справочник / Г.Г. Гурзадян, В.Г. Дмитриев, Д.Н. Никогосян. М.: Радио и связь, 1991. - 160 с.

Паргачёв Иван Андреевич

Аспирант каф. электронных приборов (ЭП) ТУСУРа

Тел.: 8-913-862-69-00

Эл. почта: underfin@mail.ru

Кулешов Юрий Валерьевич

Аспирант каф. ЭП ТУСУРа

Краковский Викрор Адольфович

Д-р техн. наук, директор ООО «Кристалл Т»

Серебренников Леонид Яковлевич

Канд. техн. наук, доцент каф. ЭП ТУСУРа

Мандель Аркадий Евсеевич

Д-р физ.-мат. наук, профессор каф. СВЧ ТУСУРа

Шандаров Станислав Михайлович

Д-р физ.-мат. наук, профессор, зав. каф. ЭП ТУСУРа

Пуговкин Алексей Викторович

Д-р техн. наук, профессор каф. ТОР ТУСУР

Шварцман Григорий Исаакович

Канд. техн. наук, доцент каф. ЭП ТУСУРа

Pargachev I.A., Krakowsky VA., Serebrennikov L.Y., Mandel A.E.,

Shandarov S.M., Pugovkin A.V., Kuleshov U.V., Shvartzman G.I.

Growing and electro physical properties of GTR-KTP crystals

The high-resistance KTP crystals by the method of a solution in a melt were grown. The results of investigations of electrical conductivity and electro-optic coefficients of the grown crystals are represented. Measured electrical conductivity was c = 2-10-12 Ohm-1 cm-1.

Keywords: KTP crystals, high-resistance KTP, electrical conductivity, electro-optic coefficient.