WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 | 2 || 4 |

Поэтому появление ПКФ может быть объяснено из следующих соображений: Допустим, что до начала записи ns в кристалле существует внутреннее поле E0 (природа, величина и направление которого должны обсуждаться отдельно). При локальном освещении разомкнутого кристалла дрейф и электродиффузия носителей заряда (электронов) в этом поле при фотовозбуждении глубоких и мелких донорных центров, и их последующий захват за пределами освещенной области приводит к разделению заряда и формированию поля Esc, величина которого ограничена обратным током фотопроводимости. Конкуренция двух встречных токов обеспечивает динамическое равновесие в процессе транспорта заряда и наблюдаемое значение ns. Введение индуцированного за счет внешнего воздействия поля Е’, направленного противоположно полю E0 приведет к разбалансу механизма самокомпенсации. При этом, в отсутствие освещения возможность динамики ns может быть ограничена низким значением темновой проводимости d и заметная реконструкция Esc будет достижима только за счет фотопроводимости ph. В этом случае следует рассматривать дрейф носителей заряда в эффективном поле Eeff = Esc + E’’. Где E’’ = (E’ – E0). Роль E0 мы отводим фотовольтаическому полю в разомкнутом кристалле. E’=Epyro. В работе, отмечается влияние на ПКФ кратности термоциклирования образцов, что может указывать на механизмы появления остаточного поля, подобные описанным в [11]. Влияние степени нестехиометрии нелегированных кристаллов сводится к изменению эффективности ПКФ при фото- и термо- возбуждении собственных дефектов (рис.7) любой описанной выше структуры, за счет чего возрастает суммарная проводимость образцов, с вытекающей отсюда эффективностью компенсации индуцированных полей. Серия измерений кинетики ПКФ с использованием слабовосстановленных нелегированных образцов LiNbO3 подтвердила это заключение. В кристаллах ниобата лития, легированных железом ПКФ выражен гораздо слабее, и в окисленных образцах LiNbO3:Fe не обнаружен.

В разделе 3.2 описаны эксперименты по термической фиксации фазовых голограмм (ТФГ) в нелегированных кристаллах LiNbO3 с различной нестехиометрией.

Использованные образцы кристаллов LiNbO3 имели различное отношение [Li]/[Nb] в диапазоне 0.942 0.980. Запись элементарных пропускающих голограмм производилась в симметричной схеме деления волнового фронта с использованием сфокусированных пучков He-Ne лазера необыкновенной поляризации ( = 632,8 нм, P1,2 = 10 мВт, период световой решетки в кристалле = 18 мкм). Для повышения устойчивости интерференционной картины применена геометрия самосведения пучков системой вариообъективов. ТФГ выполнялась в двух известных термических схемах: “запись - нагрев – охлаждение” (LHL) и “нагрев + запись - охлаждение” (HL) [12]. Скорость нагрева при ТФГ T / t = 110оС/мин. Проявление голограмм при комнатной температуре осуществлялось одним из записывающих пучков (режим Брэгга), либо независимым мощным источником некогерентного белого света.

Дифрационная эффективность определялась как =Id/(Id+Ip), где Id, It – интенсивности дифрагировавшего и прошедшего световых пучков, соответственно. Запись голограмм перед началом ТФГ LHL продолжалась до максимально достижимой в данном образце LiNbO3 дифракционной эффективности max, зависимость которой от степени нестехиометрии кристаллов, в целом, подтвердила выводы главы 2.

Рис.8. Зависимость эффективности ТФГ от интенсивности люминесценции в полулогарифмической системе координат Основные результаты этой серии экспериментов можно изложить в виде следующей сводки:

1) В нелегированных кристаллах LiNbO3 в стандартных терморежимах однородного и неоднородного нагрева с Tmax 130 180oC явление ТФГ по схеме LHL не обнаружено. При этом в слабоокисленных кристаллах LiNbO3:Fe (0.001-0.05 ат.%) коэффициент ТФГ в наших условиях kTFG=f /0 = f / max 0.3-0.6.

2) Выведение максимальной температуры процесса в схеме LHL до Tmax 120оС ( T / t = 35oС/мин) способствует реализации ТФГ с различной эффективностью, зависящей в первую очередь от Tmax, max([Li]/[Nb])I=const и величины дополнительного поглощения кристалла (рис.8, 9). kTFG может быть увеличен путем предварительного окислительного отжига образца в атмосфере кислорода при 600oC.

3) Уменьшение Tmax до Tmax 70-80 оС и/или скорости нагрева до T / t 1-2 oС/мин резко снижает f /0, вплоть до f /0=0.

4) Неоднородный внешний нагрев при ТФГ (T 0) и термоциклирование объемных образцов монокристаллов ниобата лития способны увеличивать дифракционную эффективность фиксированных фазовых решеток.

5) ТФГ в нелегированных кристаллах LiNbO3 конгруэнтного состава в принципе может быть выполнена в соответствии с методикой HL при Tmax 150 160oC.

Однако воспроизводимость метода ограничена устойчивостью голографической схемы и требует применения системы оптической фазовой стабилизации при малых периодах световой решетки.

Рис. 9. Зависимость эффективности ТФГ от степени нестехиометрии кристаллов и двух условных уровней дополнительного поглощения образцов (2 ~ 0.1 см-1, 1 ~ 0.01 см-1).



Рис. 10. Зависимость эффективности ТФГ от концентрации водорода (интегральной интенсивности ОН-полосы в ИК-спектре) Полученные результаты в принципе, могут быть объяснены в рамках традиционной теории компенсации поля пространственного заряда голограммы за счет термической активации примесной протонной проводимости. Однако в нашем случае, эта теория нуждается в корректировке, так как в отличие от кристаллов LiNbO3:Fe и LiNbO3:Сu – традиционных материалов для ТФГ, наши образцы имели концентрацию парамагнитных примесей ниже 10-5 ат.% и пространственный заряд электронной решетки формируется в этом случае по механизму фотовозбуждения, описанному в главе 2. Роль проводимости по собственным дефектам при ТФГ в нелегированных нестехиометричных кристаллах ниобата лития также подтверждается данными, представленными на рис. 9,10. С учетом соотношения величин энергий активации “собственной” и примесной протонной проводимостей, очевидны причины очень узкого температурного интервала ТФГ, наблюдаемого в наших экспериментах.

Пункты 4 и 5 экспериментальной сводки требует самого пристального изучения, так как могут указывать на возможные процессы переполяризации в освещенной области кристалла при ТФГ, и способствовать поиску путей совершенствования метода термофиксации голограмм для технических приложений.

В четвертой главе описаны результаты исследований, направленных на поиск путей создания новых типов оптических LiNbO3 волноводов, обладающих высокой фоторефрактивной чувствительностью.

В разделе 4.1 исследуются фоторефрактивные свойства LiNbO3 волноводов, создаваемых в комбинированной технике ионного обмена и ионной имплантации.

Наше внимание в этой части было сосредоточено исключительно на He+имплантированных планарных LiNbO3 волноводах, допированных медью методом совмещенного протонного и медного ионного обмена (“proton assisted copper exchange” или PACE [13]), поскольку предварительные исследования показали многообещающие перспективы комбинированных технологий для производства фоторефрактивных волноводов (ФРВ) в ниобате лития [14]. Некоторая оптимизация свойств таких ФРВ ожидалась при изменении последовательности технологических операций в отличие от применяемого нами ранее способа (I), в котором ионный обмен Н+Cu+, Li+Cu+ следовал за He+-имплантацией, и предполагала использование следующего технологического процесса (II):

(i) РАСЕ в расплаве бензойной кислоты с добавками солей меди и лития для получения приповерхностного слоя с высокой концентрацией меди (ii) Восстановление электрооптических свойств легированного слоя путем отжига при температуре Tа1<400oC (iii) He+-имплантация (Три He+-имплантации c различными энергиями (900, 1000 и 1100 КэВ), полная доза - 21016 ион/см2) для создания основного волноводного слоя (iv) Минимизация потерь на распространение направляемых мод слабым отжигом при температуре Tа2<230oC.

Для изготовления волноводов нами использованы оптически полированные подложки Z- и Y-срезов чистых (т.е. нелегированных) и легированных Mg (Смg = 7.моль.%) кристаллов LiNbO3. Параметры технологических шагов (i) – (iv) несколько варьировались для того, чтобы определить оптимальные условия для получения максимального фоторефрактивного отклика волновода и/или голографической (дифракционной) эффективности. He+-имплантация вызывает появление оптического барьера (слоя с пониженным показателем преломлении) на некоторой глубине от поверхности, которая зависит главным образом от энергии ионов.

Многократная ионная имплантация выполнялась для увеличения толщины оптического барьера, т.е. улучшения волноводных свойств получаемой структуры.

Профили распределения концентрации гелия, определяющие форму оптического барьера, вычислены TRIM или Profile-Code – моделированием, и показали локализацию барьерного слоя на глубине от 2.1 до 2.8 m. На рис.11 показаны результаты измерений интенсивности I линии E(TO)-фонона в спектре КРС для некоторых образцов полученных волноводов в зависимости от Pin – входной мощности лазерного излучения. Из анализа этих данных (сравнения значений на зависимости I(Pin) и степени нелинейности этих зависимостей) можно заключить, что фоторефрактивное рассеяние направляемого света увеличивается в образцах, изготовленных в комбинированной технике ионного обмена и ионной имплантации по новой технологической последовательности. Такой результат, несомненно, является следствием высокой концентрации и более однородного распределения примеси меди в пределах волноводного слоя, предполагаемых также, исходя из общих закономерностей ионного обмена [15].

Рис.11. Зависимость выходной интенсивности излучения в различных He+-имплантированных волноводах от мощности. 1 – недопированный волновод на подложке конгруэнтного LiNbO3; 2, – волноводы, допированные медью на подложке LiNbO3:Mg, изготовленные по методу I (2) и II (3); 4,5 - волноводы, допированные медью на подложке конгруэнтного LiNbO3, изготовленные по методу I (4) и II (5).

Повышенная величина фотоиндуцированного рассеяния света и малое время фоторефрактивного отклика соответствуют увеличению фоторефрактивной чувствительности S=ns/J в волноводе при одинаковых условиях фотовозбуждения.

В волноводах на подложках LiNbO3:Mg этот эффект не так заметен.

Рис.12 Стационарное значение дифракционной эффективности s записываемых голограмм в зависимости от входной мощности лазерных пучков в He+-имплантированном волноводе Сu:H:LiNbO3:Mg (на рис.11 обозначен как образец (3), полученный в новом методе синтеза II).

Из полученных результатов следует, что высокие значения ФРЧ не обеспечивают сопряженного роста важнейшего голографического параметра s. Более того, наилучший (и беспрецедентный в литературе) результат голографической записи направляемыми световыми пучками был получен нами в допированном медью He+-имплантированном волноводе на подложке LiNbO3:Mg. Удалось также обнаружить пороговый характер зависимости s с ростом интенсивности записывающих пучков (Рис.12), который объясняется появлением мощного паразитного фотоиндуцированного рассеяния света (т.н. ФИРС) при увеличении ФРЧ и повышенной утечкой излучения из направляемой моды.

В разделе 4.2 описаны методы получения и результаты исследования фотохромных фоторефрактивных волноводов на подложках конгруэнтных кристаллов LiNbO3. В работах, направленных на поиск методов долговременной стабилизации динамических фазовых голограмм в ниобате лития и повышения его фоторефрактивной чувствительности, нередко упоминаются возможные пары содопантов, введение которых в кристаллическую матрицу LiNbO3 приводит к появлению в оптических спектрах полос поглощения в видимой области длин волн при УФ-облучении (фотохромному эффекту – ФХЭ) [3]. ФХЭ как процесс фотоиндуцированного изменения величины комплексного показателя преломления n = n - i кристалла за счет увеличения коэффициента экстинкции, может рассматриваться как составная часть “обобщенного” ФРЭ. Нами получены и исследованы фоторефрактивные свойства Н:LiNbO3 волноводов, легированных железом, медью и марганцем. Все образцы изготовлены на пластинах X-среза монокристаллов НЛ (производства Crystal Technology Inс. и БЗТХИ) конгруэнтного состава, методами двойного или комбинированного ионного обмена c постобменным отжигом (т.н. ОПО, или в англоязычной литературе – APE) в расплаве пальмитиновой кислоты C16H32O2 при температурах Т = 295 360oС. Обычно, технология ОПО связывается с протонным обменом в бензойной кислоте С6H5COOH, имеющей температуру кипения 249oC [15]. Протекающая топотактическая реакция замещения H+Li+ вызывает появление в кристалле LiNbO3 приповерхностного слоя с повышенной (СH+10201022 см-3) концентрацией протонов, что, в свою очередь, приводит к увеличению необыкновенного показателя преломления ne на глубину несколько мкм, т.е. – формированию оптического волновода. Постобменный отжиг позволяет оптимизировать структурно-фазовый состав волноводного слоя и восстановить электрооптические свойства, ухудшающиеся при начальном ионном обмене. Однако, практически все известные ионы – компоненты фотохромных пар в ниобате лития, кроме меди, могут иметь в кристалле заряд 2+ и выше, поэтому для введения желаемой примеси необходимо выполнение неизовалентного ионного обмена (НИИО) в создаваемом волноводном слое Men+nLi+ и Men+nH+ (Ме – условно обозначает вводимую примесь к-л металла). Этот процесс не имеет простых аппаратных решений, и его эффективность гораздо ниже, чем Me+Li+, Me+H+ [15]. Мы совместили РАСЕ и НИИО с условиями промежуточного реструктурирующего отжига и повышенной температуры ионного обмена в пальмитиновой кислоте C16H32O2. Состав фотохромных пар, таким образом, предполагал сочетание ионов меди (неизбежный компонент) и некоторых создаваемых или уже имеющихся центров Men+, на роль которых нами были определены ионы Mn2+/3+ и Fe2+/3+ как наиболее часто упоминаемые в литературе по ФХЭ в ниобате лития. Последовательность операций в цикле ионного обмена для монокристаллических подложек нелегированного LiNbO3:

1) ионный обмен в расплаве смеси пальмитиновой кислоты C16H32O2, ацетата меди Сu(CH3COO)2 ·H2O и бензоата лития C6H5COOLi 2) отжиг в сухом или влажном воздухе при Ta =330380oC 3) ионный обмен в расплаве смеси пальмитиновой кислоты, ацетата меди Сu(CH3COO)2·H2O, ацетата марганца Mn(CH3COO)2·4H2O, и бензоата лития C6H5COOLi 4) отжиг в сухом или влажном воздухе при Ta =330380oC.

Для подложек LiNbO3:Fe процесс начинался глубоким окислительным отжигом с порошком ниобата лития, и далее, с п. 2). В части образцов (контрольных) был выполнен ОПО без легирования. Другая часть подложек не проводилась по всему технологическому маршруту, и ионный обмен был ограничен только PACE.

Pages:     | 1 | 2 || 4 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»