Труды КНЦ вып.5 (ХИМИЯ И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ вып. 5/2015(31))

Формирование РДС в кристаллах LiNbO 3 с помощью прямого электронно-лучевого облучения по сравнению с другими методами в целом ряде случаев является перспективным способом создания структур микронных и субмикронных периодов. В этом случае для формирования доменов не требуется использования специальных масок и особых покрытий, электронный луч легко управляется и перемещается по поверхности, что делает этот метод весьма гибким при изменении дизайна и параметров формируемой структуры. Нанометровые параметры диаметра электронного луча предполагают перспективность данного метода для формирования доменных структур не только микронных, но и субмикронных периодов, используемых для преобразования излучения в режиме фазового квазисинхронизма. Нами исследованы возможности электронно­ лучевой записи РДС в стехиометрических и конгруэнтных кристаллах LiNbO 3 . Изучалось переключение под электронным лучом в монокристаллах ниобата и танталата лития стехиометрического состава, выращенных из расплава с 58.6 мол. % Li2O, из расплава конгруэнтного состава в присутствии флюса К2О (high temperature top seeded solution growth, HTTSSG), кристаллов, модифицированных методом VTE, а также серии кристаллов. В результате проведенных исследований, несмотря на некоторое различие в формировании индивидуальных доменов, для разных типов кристаллов найдены условия рисования электронным лучом РДС в достаточно толстых образцах. При толщине образцов в 0.75 mm наименьший период созданных РДС был равен ~5.3 цт. Ряд приложений оптических устройств на основе кристаллов ниобата лития предполагает их эксплуатацию в условиях воздействия ионизирующего излучения (ИИ). В связи с этим актуально произвести сравнительную оценку радиационной стойкости номинально чистых и легированных редкоземельными и щелочноземельными элементами кристаллов ниобата лития. Интенсивное дефектообразование в кристаллах может происходить под действием ИИ. Возникающие при этом атомарные и электронные структурные несовершенства кристаллической решетки во многом определяют свойства кристаллов. Возникновение центров окраски, вносящих вклад в оптическое поглощение, - одно из наиболее ярких проявлений образования дефектов в кристаллах. Центры окраски образуются при захвате носителей заряда собственными и примесными дефектами решетки. Способом создания как точечных, так и электронных дефектов в неравновесной концентрации является облучение кристаллов частицами и фотонами высоких энергий. При этом в кристаллах возникают электронные возбуждения широкого диапазона энергий и времен жизни. Высокоэнергетические возбуждения распадаются на простейшие стабильные возбуждения типа электронно-дырочных пар и экситонов. Происходит перераспределение электронной плотности между высоко- и низкоэнергетическими подуровнями в запрещенной зоне, что, в частности, приводит к радиационному окрашиванию кристаллов [5]. В монокристаллах ниобата лития у-излучение приводит к окрашиванию кристаллов, увеличению фоторефрактивной чувствительности, изменению оптического поглощения. Причем при легировании кристаллов могут существенно изменяться его оптические свойства, например, чувствительность к повреждению не только лазерным, но и ИИ. Нами установлены особенности оптических характеристик у-облученных кристаллов ниобата лития в зависимости от дозы облучения, температурного отжига образца. Различия в способах обесцвечивания у-облученных и отожженных в вакууме номинально чистых монокристаллов ниобата лития позволило уточнить механизмы образования точечных и электронных дефектов и предложить модель происходящих при у-облучении процессов. Показано, что изменение оптического пропускания легированных кристаллов LiNbO 3 при у-облучении существенно зависит как от типа легирующей добавки, так и от ее концентрации. Причем радиационная стойкость легированных кристаллов может быть и существенно выше, и существенно ниже, чем у номинально чистых кристаллов LiNbO 3 . Наибольшую радиационную стойкость (из исследованных образцов) показали кристаллы LiNbO3:Gd (0.26 мас. %), LiNbO3:Gd (0.43 мас. %) и LiNbO3:Mg (0.27 мас. %), в которых под воздействием у-облучения (доза ~5-104kGy) оптическое пропускание практически не изменяется (< 2%). Активный поиск новых стойких к оптическому повреждению материалов путем их легирования нефоторефрактивными примесями является одной из актуальнейших задач оптического материаловедения. В последние годы наибольший интерес вызывают исследования, посвященные получению и свойствам монокристаллов LiNbO3:Zn. Влияние легирующего элемента на свойства монокристаллов ниобата лития часто носит скачкообразный характер. Такой вид концентрационной зависимости свойств получил название «концентрационный порог». Причем в общем случае в легированных кристаллах ниобата лития может быть несколько концентрационных порогов, в области которых характеристики расплава и выращенных из него кристаллов могут испытывать аномальное поведение. Нами выполнены исследования концентрационных условий кристаллизации кристаллов LiNbO 3 :Zn в области концентраций ZnO в расплаве ~4.0^9.0 мол. % с шагом ~1 мол. %, а вблизи «пороговой» концентрации ~6.8 мол. % с шагом ~0.1 мол. % для определения условий выращивания кристаллов LiNbO3:Zn с высокой степенью оптической и композиционной однородности. Для этого была разработана методика оценки поведения примеси в сложной системе расплав - примесь - кристалл с неизвестной диаграммой состояния и неизвестными физико­ химическими параметрами расплава. Методика реализуется при выращивании из одного тигля, т.е. в одном технологическом цикле, серии легированных кристаллов с разной концентрацией примеси. Стойкость к оптическому повреждению и оптическая однородность оценивались с использованием метода исследования фоторефрактивного рассеяния света (ФРРС) и метода лазерной коноскопии. В результате проведения исследований показано, что область концентраций ~4-^6.8 мол. %ZnO благоприятна для получения композиционно и оптически однородных бездефектных кристаллов LiNbO3:Zn, обладающих высокой стойкостью к оптическому повреждению. В наибольшей степени вышесказанное относится к кристаллу LiNbO3:Zn, выращенному из расплава с концентрацией [ZnO] = 6.12 мол. %. При концентрации [ZnO] > 6.8 мол. %, если кристаллизуется > 20% расплава, вырастают дефектные кристаллы LiNbO3:Zn, 35