Устройство для локальной поляризации ниобата и танталата лития

Полезная модель относится к области квантовой электроники оптического диапазона, в частности, к разработке преобразователей излучения на основе нелинейно-оптических кристаллических сред с периодической структурой доменов, поляризованных в противоположных направлениях, и может быть использовано для создания малогабаритных лазерных источников. Эффективность таких источников основана на квазисинхронном взаимодействии световых волн основного и преобразованного излучения на большой длине нелинейного элемента, многократно превышающей характерную для данной оптической среды в световом поле с частотой длину когерентности l_c, что позволяет значительно повысить эффективность преобразования оптического излучения. Преимущество заявленной полезной модели состоит в повышении точности (прецизионности) изготовления поляризованных структур (периода и коэффициента заполнения) периодически поляризованного ниобата и танталата лития, используемых в качестве элементов в малогабаритных источниках лазерного излучения, и могут найти широкое применение в приборостроении, в частности, в системах оптической передачи информации. 1 н.п. ф-лы; 1 илл.

Полезная модель относится к области квантовой электроники оптического диапазона, в частности, к разработке преобразователей излучения на основе нелинейно-оптических кристаллических сред с периодической структурой доменов, поляризованных в противоположных направлениях, и может быть использовано для создания малогабаритных лазерных источников.

Эффективность таких источников основана на квазисинхронном взаимодействии световых волн основного и преобразованного излучения на большой длине нелинейного элемента, многократно превышающей характерную для данной оптической среды в световом поле с частотой длину когерентности l_c, что позволяет значительно повысить эффективность преобразования оптического излучения.

Для примера рассмотрим преобразование света с длиной волны =1,06 мкм, характерной для излучения твердотельных лазеров, работающих на полосе люминесценции ионов неодима в различных конденсированных средах, во вторую гармонику с длиной волны 0,53 мкм в кристаллической среде на основе ниобата лития с периодической доменной структурой, рассчитанной на взаимодействие ее-е. Период доменной структуры для такого преобразования определяется выражением (1)

где коэффициенты преломления для необыкновенной волны на основной n_e(/2) и удвоенной n_e() частоте рассчитываются по формулам Зеллмейера [1] или измеряются для конкретного материала и заданной температуры среды. Так для конгруэнтного кристалла LiNbO₃, допированного магнием, при температуре 70°С n_e()=2.239, n_e(/2)=2.161 и =6.8 мкм.

Применение допирования оксидами магния и цинка для конгруэнтного и стехиометрического ниобата/танталата лития оправдано значительным повышением порога рефрактивного повреждения кристаллов и снижением эффекта наведенного поглощения в инфракрасной области спектра, вызываемого излучением в сине-зеленой области спектра. Еще одной положительной особенностью допированных кристаллов является значительное снижение электрического поля, необходимого для локального переключения поляризации среды (коэрцетивное поле). При допировании 5% оксида магния коэрцетивное поле уменьшается в 4-5 раз, что предоставляет несомненное преимущество при реализации устройств формирования периодических доменных структур и снижает возможность пробоя кристалла. Альтернативой использованию допированных кристаллов ниобата лития для снижения коэрцетивного поля может выступать применение кристаллов стехиометрического состава, для которых это поле еще ниже. Однако значительные технологические сложности выращивания таких кристаллов существенно удорожают изготовление преобразователей на их основе, а по лучевой стойкости они уступают даже недопированным конгруэнтным кристаллам, что впрочем может быть исправлено введением тех же примесей магния или цинка в стехиометрическую основу.

Известны устройства и технологии формирования периодически поляризованного ниобата и танталата лития (доменных структур) для создания нелинейно-оптических элементов лазерных источников излучения, основанные на структурной поляризации монодоменного кристалла [2]. Сущность состоит в нанесении пространственных электродов на поверхность монодоменной пластины сегнетоэлектрика, вырезанной перпендикулярно оптической оси, и приложении электрического поля между решеткой электродов и второй поверхностью пластины. При этом величина приложенного поля должна превышать величину коэрцитивного поля кристалла E _c, а его длительность ограничена во времени, так, чтобы позволить полностью переполяризовать участки сегнетоэлектрика под электродами по всей толщине пластины, но не допустить поперечного распространения доменных стенок на расстояния существенно меньшие периода заданной структуры =2l_c. Однако в известной технологиии создание периодических доменных структур в однородных легированных монокристаллах ниобата и танталата лития сопряжено с трудностями, связанными с высокой проводимостью кристалла, и высокой скоростью поперечного движения доменных стенок. Оба эти обстоятельства являются побочными факторами упомянутых выше положительных свойств допированного ниобата/танталата и определяют специфику технологии создания периодических доменных структур в этих материалах.

Чтобы обеспечить условия контролируемого роста элементов доменной структуры и предотвратить слияние соседних элементов требуется увеличивать поверхностную плотность затравочных доменов под электродами, особенно при периоде структуры менее 10 мкм. Среднее расстояние между зародышами должно быть существенно меньше, чем период структуры, иначе велика вероятность слияния доменов, возникших на соседних электродах. Начальная плотность зародышей доменов противоположной поляризации зависит от величины и формы прикладываемого электрического поля, от времени его воздействия [3], от материала электродов, и структуры поверхностного слоя кристаллической пластины.

Как известно, развитие доменной структуры в электрическом поле под периодическими поверхностными электродами описывается шестистадийным процессом.

На первой стадии происходит образование зародышей преимущественно под кромками электродов, в областях максимальной напряженности электрического поля.

На второй стадии зародыши быстро прорастают остриями в направлении кристаллографической оси Z, одновременно сливаясь (коалесцируя) в направлении оси Y (вдоль электродов).

На третьей стадии происходит дальнейшая коалесценция зародышей вдоль кромок до прерывания роста по оси Z на противоположной поверхности пластины.

На четвертой стадии образовавшиеся под поверхностями электродов зародыши сливаются, образуя узкий домен с противоположной поляризацией.

На пятой стадии формирования доменной структуры происходит движение доменных стенок в направлении оси X, увеличивающее коэффициент заполнения РДС.

На шестой стадии происходит окончательная стабилизация доменной структуры.

Рассмотренная схема является идеализированной картиной, которая в реальной ситуации значительно искажена как неизбежными структурными неоднородностями используемого материала, его ненулевой проводимостью, так и технологическими отклонениями от идеальной геометрии, идеальной электрической изоляции межэлектродной поверхности.

Величина коэрцитивного поля, определяющая скорость образования зародышей на первой стадии зависит от структуры материала. Например, для конгруэнтного кристалла Li_0.95Nb_1.01O ₃, она равна 22-23 кВ/мм; для стехиометрического LiNbO ₃ - около 3 кВ/мм; для конгруэнтного кристалла Li_0.95 Nb_1.01O₃, допированного 5% оксида магния, - 5 кВ/мм. Значительно меньшее электрическое поле, требуемое для поляризации допированных кристаллов, с одной стороны, исключает возможность пробоя монокристаллической пластины при создании периодических доменных структур, а с другой стороны, затрудняет процесс получения периодических структур в кристаллах толщиной более 0,5 мм из-за «слипания» соседних доменов. Нагрев монокристаллической пластины также приводит к существенному снижению электрического поля, необходимого для поляризации.

В научной и патентной литературе известны устройства и способы для локального снижения величины электрического поля, требуемого для поляризации сегнетоэлектрического кристалла.

Известно [4-5], что в оптическое воздействие производится локально сфокусированным пучком на кристалл, помещенный в электрическое поле с напряженностью меньшей, чем коэрцитивное поле кристалла, оптическим излучением, приводящим к образованию вблизи облучаемой поверхности зародышей доменов с противоположной, относительно исходной, поляризацией. Однако, поскольку оптическое воздействие производится локально сфокусированным пучком или через периодическую теневую маску, данный способ можно использовать только для создания периодических доменных структур с периодом более 10 мкм, что не позволяет получать преобразователи для коротковолнового диапазона.

Известно устройство [6], наиболее близкое к предлагаемому изобретению по технической сущности, выбранное в качестве прототипа. Оно предназначено для проведения процесса VTE (vapor transport equilibrated). Устройство выполнено в виде тигля, заполненного прессованным реактивом с избыточным относительно кристаллической пластины содержанием лития.

Недостатком известной полезной модели является недостаточно высокая точность и трудоемкость. Реализуемый на этом устройстве способ требует продолжительного воздействия паров Li₂O при температуре около 1100°C, что не позволяет осуществить прецизионное локальное изменение состава поверхностного слоя монокристаллической пластины [7].

Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение точности (прецизионности) изготовления поляризованных структур (периода и коэффициента заполнения) периодически поляризованного ниобата и танталата лития, используемых в качестве элементов в малогабаритных источниках лазерного излучения.

Указанный технический результат достигается заявленным устройством для локальной поляризации ниобата и танталата лития для нелинейно-оптических элементов, содержащим термостатированный корпус и крышку, которое, в отличии от известного устройства, дополнительно снабжено металлическим кольцом для уплотнения и подвода высокого потенциала электрического тока к слою расплава, нанесенному на одну из поверхностей монокристаллической пластины, на другую поверхность которой нанесен слой эвтектики состава Ga-In-Sn, через который осуществляют подвод тепла посредством медной пластины и низкого потенциала электрического тока.

Кроме этого, указанный технический результат достигается тем, что между металлическим кольцом и монокристаллической пластиной расположено уплотнение из силикона.

Помимо этого, указанный технический результат достигается тем, что на поверхность монокристаллической пластины нанесена изолирующая маска из материала с высоким удельным сопротивлением, в которой период открытых участков соответствует периоду формируемой доменной структуры, а их ширина составляет 0,1-0,4 части периода.

В заявленном устройстве под действием температуры и электрического поля в открытых для контакта с расплавом участках поверхности пластины происходит диффузионный перенос положительных ионов лития из расплава в кристалл, что приводит к заполнению свободных литиевых вакансий, т.е. приближению состава кристалла к стехиометрическому составу. При этом глубина обогащения пластины ионами лития пропорциональна корню квадратному времени нахождения при повышенной температуре

где коэффициент диффузии D имеет зависимость от температуры вида

где R=8.32 Дж/моль/К - универсальная газовая постоянная T - абсолютная температура (K). Для ниобата лития D₀=1.05·10²² мкм²/ч, Q=256 кДж/моль [8], т.о. при температуре 327°C D=0.54 мкм ²/ч. Для танталата лития при температуре 350°С в расплаве солей LiNO₃+KNO₃+NaNO₃ получено значение D=0.257 мкм²/ч. [9]. Применяемое электрическое поле снижает потенциальный барьер диффузии ионов Q, облегчая их проникновение внутрь кристалла. Поскольку характерные начальные размеры зародышей противоположной поляризации не превышают десятой доли микрона, имеется большой запас управляемости процессом создания поверхностного стехиометрического слоя по температуре, времени и величине поля.

Техническая задача осуществления процесса локального повышения отношения Li/Nb(Ta) в заданных участках поверхности кристалла, формирования в нем периодически поляризованных доменных структур и конечного отжига кристалла решается путем применения устройства, обеспечивающего в едином технологическом цикле проведение процессов локальной модификации поверхностного слоя кристалла, формирование заданной доменной структуры переполяризацией в электрическом поле и отжиг кристалла для снятия механических напряжений.

Схема заявленной полезной модели представлена на Фиг.

Устройство состоит из керамического цилиндрического корпуса 1, верхней керамической крышки 2, которая выполняет функции теплоизоляции и герметизации, также устройство снабжено металлическим кольцом 3 для уплотнения и подвода высокого потенциала электрического тока 4 к слою расплава 5, нанесенному на одну из поверхностей монокристаллической пластины 6, а на другую ее поверхность нанесен слой эвтектики состава Ga-In-Sn 7, через который осуществляют подвод тепла посредством медной пластины 8 и низкого потенциала электрического тока 9. Между металлическим кольцом 3 и монокристаллической пластиной 6 расположено уплотнение из силикона 10. К верхней части монокристаллической пластины с нанесенной на поверхность (+Z) периодической поверхностной структурой из материала с высоким удельным сопротивлением, препятствующим диффузии лития (например, из SiO₂) через расплав 8, содержащий соли лития, и электрод 9, соединенный с кольцом 2, прикладывается электрический потенциал для управления процессами диффузионной имплантации и поляризации. Медная пластина 6 нагревается управляемой системой нагрева (система нагрева не показана). Для визуального контроля процессов, происходящих в кювете, в том числе с использованием поляризационной микроскопии, верхняя керамическая крышка 3 может иметь окно из термостойкого кварцевого стекла или лейкосапфира.

Сущность формирования периодически поляризованного ниобата и танталата лития для нелинейно-оптических элементов с помощью заявляемого устройства состоит в следующем.

В устройство для реализации локальной поляризации устанавливается монодоменная пластина ниобата или танталата лития с нанесенной на поверхность (+Z) периодической поверхностной структурой из материала с высоким удельным сопротивлением, препятствующего диффузии лития, (например из SiO₂). Период периодической поверхностной структуры рассчитывается в соответствии с приведенным выражением (1). На верхнюю сторону пластины наносится слой безводного нитрата лития (или, что предпочтительно для работы при пониженных температурах и во избежание деструкции поверхности, смесь нитрата лития с нитратами калия, натрия, кальция, температура плавления таких эвтектических смеси 90-120°C). Нижняя сторона пластины через слой жидкой эвтектики GaInSn (галинстан) находится в тепловом и электрическом контакте с нагреваемой медной пластиной. Применение жидкого проводящего слоя обеспечивает равномерный прогрев пластины без локальных градиентов температуры.

В испытуемом устройстве для локальной переполяризации, со скоростью не более 20°C/мин повышается температура. После расплавления соли нитрата лития или смеси солей нитратов 8 и достижения температуры 300-350°C к расплаву относительно заземленной для контроля тока через последовательное сопротивление 1 кОм, медной пластины 6 прикладывается электрическое поле положительной полярности напряженностью 10-200 В/мм в течении 15-120 мин и проводится локальная диффузионная стехиометризация поверхностных участков пластины.

На втором этапе к расплаву прикладывается импульс электрического поля положительной полярности напряженностью 2-3 кВ/мм длительностью 0.2-1 мс. Под действием электрического поля, большего, чем коэрцитивное (при температуре 300-350°C), в тех зонах пластины, где произведена стехиометризация поверхностного слоя под открытыми участками маски, происходит образование зародышей доменов, имеющих поляризацию, противоположную исходной поляризации пластины. Таким образом, формируется начальное распределение зародышей в поверхностном слое пластины.

На третьем этапе постоянным или импульсно-периодическим электрическим полем величиной на 20-25% меньшей значения коэрцитивного поля, характерного для используемого конгруэнтного материала (при данной температуре), проводится переключение поляризации по всей толщине пластины с контролем тока, протекающего в заземляющей цепи.

На четвертом этапе производится медленное (не выше 10°C/мин) снижение температуры, позволяющее снять возникшие при формировании периодически поляризованной доменной структуры локальные механические напряжения в кристалле.

Примеры формирования периодически поляризованного ниобата и танталата лития для нелинейно-оптических элементов в устройстве для локальной поляризации.

Пример 1.

В устройство (Фиг.) для локальной поляризации устанавливается монодоменная пластина ниобата лития толщиной 0.5 мм, легированного 5 мол% MgO, с нанесенной на поверхность (+Z) периодической поверхностной структурой из SiO₂ с периодом 5,27 мкм. Верхняя поверхность пластины покрывается слоем обезвоженной смеси нитратов лития, калия и натрия в соотношении 1:1:1. В собранном устройстве для локальной поляризации, со скоростью 5°С/мин повышается температура до 300°С; к расплаву относительно медной пластины прикладывается электрическое поле положительной полярности напряжением 100 В от источника U ₁ в течении 25 мин. Напряжение от источника U1 снимается. К расплаву подается импульс положительной полярности длительностью 1 мс и амплитудой 1,7 кВ от источника U2. Через 15 минут от источника U2 подается серия из 300 импульсов положительной полярности длительностью 5 мс и амплитудой 1,2 кВ. Температура в устройстве понижается со скоростью 2°C/мин до комнатной температуры.

Пример 2.

В устройство (Фиг.) для локальной поляризации устанавливается монодоменная пластина танталата лития толщиной 1 мм, легированного 7 мол% MgO, с нанесенной на поверхность (+Z) периодической поверхностной структурой из SiO₂ с периодом 8.0 мкм. Температура в устройстве повышается со скоростью 5°C/мин до 150°C. Поверхность пластины покрывается слоем расплава нитратов лития, калия и натрия в соотношении 1:1:1 имеющего температуру 160°C. После заполнения верхней части кюветы расплавом температура в ней повышается со скоростью 5°C/мин до 350°C. К расплаву относительно медной пластины прикладывается электрическое поле положительной полярности напряжением 50 В от источника U ₁ в течении 60 мин. Напряжение от источника U1 снимается. К расплаву подается импульс положительной полярности длительностью 1 мс и амплитудой 2,5 кВ от источника U2. Через 15 минут от источника U2 подается постоянное напряжение 1.8 кВ положительной полярности, которое выключается после прохождения максимума тока в цепи заземления пластины 6. Температура в устройстве понижается со скоростью 2°C/мин до комнатной температуры.

Преимущество заявляемой полезной модели состоит в том, что модификация кристаллического материала для снижения рабочего электрического поля производится только в тех участках поверхностного слоя, где будет переключаться поляризации среды, что предохраняет соседние участки от случайного переключения. При этом процесс модификации кристаллических пластин проводится в том же устройстве, что и последующие процессы поляризации и отжига, а длительность процесса модификации в несколько раз меньше, чем в известных аналогах. Такие преимущества позволяют создавать преобразователи излучения с более высоким коэффициентом преобразования за счет того, что точность периода доменной структуры значительно повышается. Преобразователи с такими новыми свойствами, обусловленными высокой точностью (прецизионностью) изготовления поляризованных структур (периода и коэффициента заполнения) периодически поляризованного ниобата и танталата лития, могут найти широкое применение в приборостроении, в частности, в системах оптической передачи информации.

Используемая литература:

1. Temperature and wavelength dependent refractive index equations for MgO-doped congruent and stoichiometric LiNbO3. O.Gayer, Z.Sacks, E.Galun, A.Arie, Appl. Phys. В (2008), V.91, P.343-348.

2. Method of patterning and fabricating poled dielectric microstructures within dielectric materials. United States Patent 6900928, 05/31/2005, Lin, Tze-chia, Chiang, Tsung-yuan, Sher, Pin-hao, Chen, Yen-hung, Chou, Ming-hsien.

3. 70-mm-long periodically poled Mg-doped stoichiometric LiNbO3 devices for nanosecond optical parametric generation. M.Maruyama, H.Nakajima, S.Kurimura, N. E. Yu, K.Kitamura Applied Phys. Lett. (2006), V.89, P.011101,1-3.

4. Fabrication of domain-inverted gratings in MgO:LiNbO₃ by applying voltage under ultraviolet irradiation through photomask at room temperature. M.Fujimura, T.Sohmura, T.Suhara, Electroncs Letters (2003), V.39, No.9, P.419-421.

5. Controlled atmosphere process for altering the nonstoichiometry of crystalline members. United States Patent 4071396, 01/31/1978, Holman, Robert L.; Method of making stoichiometric lithium niobate. United States Patent 6803028, 10/12/2004, Gadkaree, Kishor P., Soni, Kamal K.

6. Diffusion crucible and slab member with common metal component in the vapor phase. United States Patent 4071323, 01/31/1978, Holman, Robert L (прототип).

7. Dynamic Simulation of Vapor Transport Equilibration in Congruent LiNbO₃ Crystal. D.L.Zhang, W.J.Zhang, Y.R.Zhuang, E.Y.B.Pun. Crystal Growth & Design, (2007) Vol.7, No.8, P.1541-1546.

8. Ion exchange in single crystals for integrated optics and optoelectronics. Yu.N.Korkishko, V.A.Fedorov, Cambridge International Science Publishing. 1999, P.249, 516 P.

9. Reverse-proton-exchange in stoichiometric lithium tantalite. M.Marangoni, R.Osellame, R.Ramponi, S.Takekawa, M.Nakamura, K.Kitamura. Optics Express. (2004), V.12, No.12, P.2754-2761.

1. Устройство для локальной поляризации ниобата и танталата лития для нелинейно-оптических элементов, содержащее термостатированный корпус с крышкой, отличающееся тем, что устройство дополнительно снабжено металлическим кольцом для уплотнения и подвода высокого потенциала электрического тока к слою расплава, нанесенному на одну из поверхностей монокристаллической пластины, а на другую ее поверхность нанесен слой эвтектики состава Ga-In-Sn, через который осуществляют подвод тепла посредством медной пластины и низкого потенциала электрического тока.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что между металлическим кольцом и монокристаллической пластиной расположено уплотнение из силикона.

3. Устройство по любому из пп.1 или 2, отличающееся тем, что на поверхность монокристаллической пластины нанесена изолирующая маска из материала с высоким удельным сопротивлением, в которой период открытых участков соответствует периоду формируемой доменной структуры, а их ширина составляет 0,1-0,4 части периода.