Исследование формирования сильных электрических полей в легированных медью кристаллах ниобата лития

Сильные электрические поля, формируемые в легированных фотовольтаически активными примесями (Fe, Сu) кристаллах ниобата лития, являются потенциальной основой для создания компактных кристаллических ускорителей, реализующих генерацию электронных пучков и мягкого рентгеновского излучения [1] и оптически управляемую манипуляцию микро- и наночастицами [2]. В работе [3] продемонстрирована возможность создания легированных образцов LiNbO3:Cu, имеющих толщину до 1 мм, методом высокотемпературной диффузии меди из металлических пленок. Для формирования пространственно неоднородных электрических полей в таких образцах и их исследования может быть использован метод записи фоторефрактивных голограмм коротковолновым лазерным излучением и брэгговской дифракции на них лазерного пучка с большей длиной волны, имеющего малую интенсивность и не вносящего заметных возмущений в процессы фотоиндуцированного перераспределения зарядов.

В настоящей работе представлены результаты экспериментов по диффузионному легированию медью пластин LiNbO₃, имеющих X -ориентацию, и по динамике формирования в образцах LiNbO₃:Cu с различным уровнем легирования поля пространственного заряда фоторефрактив-ной голограммы двумя лазерными пучками с дли-

ной волны 532 нм. Из данных по динамике дифракционной эффективности при считывании голограммы лазерным пучком с длиной волны 655 нм получено, что в исследованных образцах LiNbO3:Сu, имеющих толщину до 2 мм, амплитуда первой гармоники поля пространственного заряда достигает значений 20 кВ/см.

• 2.    ТЕХНОЛОГИЯ

3.    ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

ДИФФУЗИОННОГО ЛЕГИРОВАНИЯ

В экспериментах по диффузионному легированию использовались оптически полированные пластины X -среза из конгруэнтного ниобата лития, имеющие толщину d = 1,8 мм. Пленки Сu наносились на пластины методом магнетронного распыления и имели толщину от 100 до 900 нм. Далее осуществлялся нагрев образца со скоростью 340 К/час до температуры 1000 ^оС в трубчатой электропечи и проводилась диффузия, с продолжительностью при данной температуре от 2 до 20 часов и с последующим естественным охлаждением за время ~12 час. Полученные диффузией образцы LiNbO₃:Сu приобретали светлокоричневую окраску и дополнительное оптическое поглощение, обусловленное центрами Сu²⁺ и Сu⁺. Концентрация ионов Сu²⁺ и Сu⁺ оценивалась из известных соотношений [3] по величине оптического поглощения на длинах волн 477 и 1040 нм. Параметры процесса диффузии для сформированных образцов 1–4 приведены в табл. 1. Здесь же приведены значения концентраций центров Сu²⁺ и Сu⁺ как для образцов LiNbO₃:Сu 1 – 4, так для образца 5 с традиционным способом легирования путем добавления CuO в исходную шихту, имеющего толщину d = 2,0 мм. В последнем столбце таблицы приведены значения коэффициента поглощения исследованных образ-

Таблица 1. Параметры исследованных образцов LiNbO₃:Сu

Номер образца Толщина пленки Cu, нм Время диффузии, час Концентрация ионов меди cCu +, м?³ Концентрация ионов меди cCu2+, м?³ Коэффициент поглощения 532 нм ao     для Лw=532 нм, см-1 1 100 2 7.961 х 10 22 8.709 х 10 22 0,063 2 200 3 2.052 х 10 23 1.398 х 10 24 0,615 3 260 20 7.85 х 1023 6.04 х 1024 0,88 4 900 9 6.06 х 1024 2.83 х 1025 7,9 5 7.862 х 10 25 29,341 цов на длине волны записывающего излучения X w = 532 нм.

Анализ приведенных в табл. 1 данных показывает, что используемая технология диффузионного легирования подложек конгруэнтного ниобата лития позволяет получать образцы LiNbO3:Сu с толщиной до 1,8 мм с регулируемой концентрацией меди.

В экспериментальной установке для исследования формирования фоторефрактивных голограмм в образцах LiNbO3:Сu X-среза, схема которой представлена на рис. 1, использовался световой пучок одночастотного твердотельного лазера Л1 с длиной волны Xw=532 нм, мощностью P0=40 мВт и вектором поляризации, ортогональным плоскости рисунка (плоскости XZ кристалла). После коллиматора КЛ он имел апертуру 4 мм и расщеплялся делительным кубом СК на два пучка c равными значениями интенсивности Ip1 = Is = 390 мВт/см2, которые с помощью призмы П сводились под углом 20 Been = 12,5° в ис- следуемом образце симметрично относительно нормали к его входной грани. В этом случае формируемая ими интерференционная картина характеризуется вектором решетки K, параллельным полярной оси Z кристалла, и имеет пространственный период Л = 2,44 мкм. В результате в образце LiNbO3:Сu за счет индуцированного обыкновенными волнами пространственного перераспределения носителей заряда вследствие фотогальванического эффекта и модуляции обыкновенного показателя преломления, обусловленной линейным электрооптическим эффектом, записывается фоторефрактивная голограмма.

Регистрация фоторефрактивной голограммы осуществлялась методом брэгговской дифракции светового пучка, распространяющегося в той же плоскости, что и записывающие пучки (см. рис. 1). Считывающий пучок с длиной волны X r =655 нм, излучаемый лазерным диодом Л2 с выходной мощностью P_ir =6 мВт, имел вектор поляризации, также ориентированный перпендикулярно плоскости XZ кристалла, возбуждая в нем обыкновенную волну. При этом угол падения считывающего луча на входную грань об-

Рис. 1. Схема экспериментальной установки разца выбирался равным углу Брэгга 0 reed = 7,7° для излучения с используемой длиной волны 655 нм и объемной фазовой решетки с пространственным периодом 2,44 мкм. Временные зависимости мощности прошедшего через исследуемый образец считывающего пучка с интенсивностью Ip2 (t) и пучка с интенсивностью Id (t) , дифрагированного на записываемой решетке, фиксировались с помощью фотодиодов ФД1 и ФД2 и системы обработки данных МА.

4.    ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Характерные экспериментальные временные зависимости для мощностей прошедшего через голограмму считывающего пучка P_{p 2} ( t ) и дифрагированного пучка P_d ( t ) , полученные для образцов № 3 и № 5 (см. табл. 1), представлены на рис. 2, а и 2, б, соответственно.

Отметим, что скорость роста дифракционной эффективности данных голограмм, определяемой как П ( ^ ) = ^Pd ^{( t} )/ ^Pp 2 ^{( t} ) + ^Pd ^{( t )} и представленной на рис. 3, для образца № 5 с максимальным уровнем легирования существенно выше, чем в образце № 3.

С использованием известных соотношений [4] временная эволюция амплитуды первой пространственной гармоники поля пространственного заряда может быть выражена через дифракционную эффективность n ( t ) в следующем виде

E m ( t ) =

2 Л cose red rB πdn03reff

arcsin д/ n ( t )

θ red in

B – угол Брэгга для считывающего пучка внутри образца, а no и reff – обыкновенный показатель преломления и эффективная элект- рооптическая постоянная, учитывающая дополнительный пьезоэлектрический вклад в фото-рефрактивный отклик. Результаты расчета зависимостей E (t) из приведенных выше данных представлены на рис. 4.

Как следует из рисунка, амплитуда поля пространственного заряда в образце LiNbO3:Сu № 3, полученном диффузионным легированием, достигает значения 17,4 кВ/см за время, составляющее около 2000 с. Для кристалла LiNbO3:Сu № 5 с традиционным способом легирования при используемых условиях формирования фотореф-рактивных голограмм время достижения макси-

Рис. 2. Экспериментальные временные зависимости мощностей прошедшего ( Pp2 ) и дифрагированного ( Pd ) пучков с длиной волны 655 нм, считывающих динамические фоторефрактивные голограммы, формируемые записывающими лазерными пучками с длиной волны 532 нм в образцах LiNbO3:Сu № 3 (а) и № 5(б)

Рис. 3. Временные зависимость дифракционной эффективности для фоторефрактивных голограмм в образцах LiNbO₃:Сu № 5 (а) и № 3(б)

Рис. 4. Динамика роста амплитуды поля пространственного заряда фоторефрактивных голограмм в образцах LiNbO₃:Сu № 5 (а) и № 3(б)

мального значения амплитуды электрического поля, равного 18,7 кВ/см, составляет около 400 с.

5.    ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные в настоящей работе эксперименты показали, что технология диффузионного легирования подложек конгруэнтного ниобата лития позволяет получать образцы LiNbO3:Сu X-среза с толщиной до 1,8 мм с регулируемой путем варьирования параметров технологического процесса концентрацией меди. Фоторефрактивные характеристики и фотовольтаические свойства этих образцов могут быть изучены по брэгговской дифракции считывающего пучка с длиной волны из красной области видимого спектра на объемных фазовых голограммах, формируемых коротковолновым лазерным излучением. Из данных по дифракционной эффективности голограмм, регистрируемой лазерным пучком с длиной волны 655 нм, получено, что амплитуда первой пространственной гармоники электрического поля голограммы в образцах, полученных диффузионным легированием, может достигать зна- чений, превышающих 17 кВ/см. Это делает возможным их использование для практической реализации кристаллических ускорителей электронов, компактных генераторов рентгеновского излучения и оптических пинцетов.

Работа выполнена в рамках Госзадания Минобрнауки РФ на 2013 год (проект 7.2647.2011) и при частичной финансовой поддержке РФФИ (проект № 12-02-90038-Бел_а).