Градиентный периодически поляризованный ниобат лития
GRADIENT PERIODICALLY POLARISED LITHIUM NIOBATE

Изобретение относится к лазерной технике, в частности к нелинейным оптическим материалам с удвоением частоты, генерирующим в видимой и ИК-областях спектра.
В качестве активных материалов для оптического излучения используются нелинейные кристаллы, которые способны излучать гармоники опорного лазерного излучения.
Эффективность периодически поляризованного ниобата лития (PPLN) зависит от следующих факторов:
- входной мощности опорного сигнала;
- особенностей структуры и состава кристаллического материала (состав кристаллической матрицы, наличие примесей, вид регулярной доменной структуры, нелинейно-оптические коэффициенты);
- длины кристалла PPLN;
- вида опорного сигнала (импульсный/непрерывный).
Известен кристалл ниобата лития конгруэнтного состава, в котором соотношение R=Li/Nb изменяется в пределах от 0,8 до 0,93. Его используют для преобразования оптического излучения и инфракрасного излучения спектра. Однако этот материал обладает рядом недостатков, а именно:
- у него высокая зависимость эффективности преобразования от температуры (Q-фактор);
- низкая лучевая стойкость к опорному лазерному излучению.
Такие особенности конгруэнтного по составу кристалла ниобата лития обусловлены развитой дефектной структурой кристалла, что объясняет их относительно низкую лучевую стойкость к лазерному излучению и ограничивает их применение в оптических устройствах [Сюй А.В., Литвинова М.Н., Гончарова П.С., Сидоров Н.В., Палатников М.Н., Криштоп В.В., Лихтин В.В. Преобразование широкополосного теплового излучения кристаллами ниобата лития разного состава / Журнал технической физики, 2013. - Т. 83. - Вып. 5. С. 109-114].
2
3
Широкое распространение получили кристаллы ниобата лития стехиометрического состава, выращенные из расплава с 58,6 мол. % LiO (LiNbOстех). Кристаллы ниобата лития стехиометрического состава с отношением R, близким к единице, (R=Li/Nb), отличаются высокоупорядоченной катионной подрешеткой [Сидоров Н.В., Антонычева Е.А., Сюй А.В., Палатников М.Н. Фоторефрактивные свойства монокристаллов ниобата лития стехиометрического состава / Кристаллография, 2010. - Т. 55. - №6. - С. 1079-1084] и обладают повышенной лучевой стойкостью по сравнению с конгруэнтными кристаллами.
Известен PPLN околостехиометрического состава с регулярной доменной структурой [Литвинова М.Н., Сюй А.В., Криштоп В.В., Сидоров Н.В., Палатников М.Н. / Преобразование широкополосного ИК-излучения в кристаллах ниобата лития стехиометрического и конгруэнтного состава / Наука и образование: научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2012. - №7. - С. 24]. Эффективность генерации второй гармоники (ГВГ) на таком PPLN достигает значений более 60%. Однако преобразование опорного излучения длиной волны 1,064 мкм либо 1,053 мкм в ИК-спектральную область в среднем варьируется от 7-15%.
0,964
0,994
3
Наиболее близким аналогом к заявляемому материалу является монокристалл ниобата лития околостехиометрического состава LiNbO [патент № US 7327768 B2, Michio Ohkubo, Hiroshi Matsuura, заявка US №11/075,912, патентообладатель The Furukawa Electric Co., Ltd. опубл. 05.02.2008, заявл. 10 03.2005].
Для усиления градиента вектора волновой расстройки с целью увеличения эффективности преобразования в материале создают неравномерную доменную структуру с изменяющимся периодом. Тем самым достигается эффективность преобразования опорного оптического излучения в ИК-области спектра до 25% [А.Н. Norton and С.М. de Sterke. Aperiodic 1-dimensional structures for quasi-phasematching / Opt. Express, 2004. - 12 (5). - pp 185-198].
Недостатком прототипа является высокая температурная зависимость параметров работы и неравномерное распределение теплового поля по всей длине кристалла, возникающего под воздействием непрерывного лазерного излучения.
Техническим результатом предлагаемого технического решения является повышение эффективности PPLN в ИК-области спектра.
Для достижения технического результата предложен монокристаллический материал на основе ниобата лития, с неоднородным распределением лития по заданному закону вдоль активного лазерного элемента следующей структурной формулы:
где:
p=49,98 ат. % или 0,9996 ат. доли.
R=k*x, 0,94≤x≤0,96.
z - пространственная координата, направленная вдоль длины кристалла (см) в системе отсчета, берущей начало на входной грани PPLN.
Заявляемый монокристаллический материал и прототип содержат одни и те же исходные компоненты, но в отличие от прототипа их содержание и распределение в материале неравномерно (градиентно) и концентрации компонент соответствуют формулам (1)-(4). Это обеспечивает повышение оптической эффективности PPLN, что определено увеличением градиента вектора волновой расстройки.
Градиент концентраций компонент материала PPLN определяет снижение и выравнивание уровня температурного поля по всей длине материала, возникающего под воздействием непрерывного лазерного излучения.
На фиг. 1 представлен профиль концентрации C(Li) мол. % в заявляемом PPLN; на фиг. 2 - расчетные графики эффективности преобразования во вторую гармонику предлагаемой матрицы кристалла, где на графике 1 - постоянная концентрация C(Li) мол. % (прототип); на графике 2 - градиентная концентрация C(Li) мол. % (заявляемый материал).
Образцы монокристаллического материала получали по способу, описанному в патенте RU №2402646, МПК C30B 15/20 (2006.01), C30B 15/02 (2006.01), C30B 15/12 (2006.01), опубл. 27.10.2010.
Пример конкретного выполнения.
a(z)
b(z)
3
Шихта для монокристаллического материала градиентного состава общей формулы LiNbO изготавливалась из карбоната лития массой 189 г и оксида ниобия массой 694 г.
При расчете шихты рассчитывали массу расплава в тигле-реакторе по формуле (5) при учете глубины погружения тигля-реактора диаметром 3,5 см в расплав основного тигля на величину 1 см
где:
d - диаметр тигля-реактора;
ρ - плотность расплава.
реакт
2
m=(3,14*3.5)/4*1*3,95=84 г.
+1
Для обеспечения заданного концентрационного профиля ионов Li в расплав тигля-реактора досыпали 119 г оксида лития.
Линейная скорость вытягивания кристалла 1 мм/ч, линейная скорость опускания тигля-реактора во время вытягивания изменяли от 0 мм/ч до 0,11 мм/ч.
Результирующее распределение концентрации для i-й компоненты расплава вычисляли в соответствии с выражением
где:
c
N - число частиц в кристалле;
c
m - масса кристалла в затравке для вытягиваемого кристалла, г;
i
N - число частиц во тигле-реакторе;
i
m - масса расплава в тигле-реакторе, г;
k - коэффициент вхождения компонента из расплава в кристалл;
- параметр подпитки;
1
V - массовая скорость расплава, поступающего из основного тигля в тигель-реактор, г/ч;
cr
V - массовая скорость вытягивания кристалла, г/ч.
Запланированное изменение состава кристалла во время выращивания приводит к определенному рассогласованию фазовых скоростей взаимодействующих волн, перераспределению эффективности нелинейно-оптического преобразования (при постоянном периоде доменной структуры) и, как следствие, сглаживанию и уменьшению температурного влияния собственного поглощения кристаллической матрицы [Строганова Е.В., Галуцкий В.В., Ткачев Д.С. и др. / Оптика и спектроскопия, 2014. - Т. 117. - №6 - С. 1012-1017]. Тем самым обеспечивается повышение эффективности преобразований в заявленном материале за счет нарастания градиента вектора волновой расстройки.
Заявляемый PPLN имеет геометрические размеры 1×1×8 мм и помещается в алюминиевый бокс, температура которого поддерживается постоянной внешним терморегулятором на уровне 30°C, опорным сигналом служит излучение волоконного лазера мощностью 18 Вт.
В таблице 1 приведены сравнительные характеристики различных по составу PPLN, эффективность которых рассчитывалась при равных граничных условиях и способах эксплуатации по методике, которая приведена в работе [Sidorov N.V., Volk T.R., Mavrin B.N., Kalinnikov V.T. Lithium niobate: Defects, photorefraction, vibrational spectrum, polaritons. Moscow, Nauka Publ., 2003. - 255 p.].
Как видно из таблицы 1, градиентный состав PPLN превосходит по эффективности материал конгруэнтного и материал стехиометрического составов. Порог лучевой прочности градиентного PPLN равен значениям показателя стехиометрического состава, что обеспечивает запас оптической прочности заявляемого материала. Значения Q-фактора для градиентных кристаллов PPLN позволяют сделать вывод о малой зависимости эффективности преобразования заявляемого материала от температуры в сравнении с конгруэнтным и стехиометрическим составами.
Наибольшей эффективности оптического преобразования достигают в материалах с градиентным профилем в виде нарастающего гиперболического тангенса.
Эффективность оптического преобразования градиентного PPLN для мощных непрерывных лазеров, оказывается в 1,5-4 раза выше, чем эффективность преобразований традиционных оптически однородных кристаллов ниобата лития. Однако такие высокие значения по эффективности оптического преобразования наблюдаются у градиентного PPLN на ограниченном интервале мощностей накачки по сравнению с оптически однородным кристаллом ниобата лития на том же интервале накачки (фиг. 2). Высокая эффективность градиентного PPLN обусловлена отсутствием термически активированных оптических искажений мощностей накачки.
Предлагаемый материал может найти применение как источник излучения для таких технологий, как расширение спектрального диапазона в средствах связи (переход из одного окна прозрачности в другое и т.д.), цветные лазерные дисплеи, биомедицинская диагностика, аналитические измерения.