Метод фотоиндуцированного рассеяния света

1.1. Кристалл ниобата лития

Ниобат лития — искусственно синтезированное в виде кристаллов соединение, которое с 1965 года и по сей день вызывает большой интерес ученых из всех промышленно развитых стран мира. В ходе эксперимента исследовались кристаллы ниобата лития, выращенные в лаборатории материалов электронной техники Института химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева на установке Кристалл-2, которая показана на рис. 1.

Рисунок 1. Ростовая установка Кристалл-2 для выращивания кристаллов ниобата лития.

В основе синтеза ниобата лития лежит реакция: Li₂CO₃ + Nb₂O₅ → 2LiNbO₃ + CO₂↑

Синтез происходит при температуре порядка 1100 °C. В расплав опускают затравку (маленький кристалл ниобата лития) и при вращении аккуратно вытягивают растущий кристалл [1, 2]. Затем остужают и разрезают на различные элементы. Процесс выращивания может занимать более суток.

Внешний вид полученных кристаллов показан на рис. 3.

 

Рисунок 2. Схематическое изображение выращивания кристаллов LiNbO₃

 

Что же особенного в данном соединении? Это кристаллическое соединение, которое является химически инертным и обладает весьма удивительными оптическими свойствами. Кристаллы применяются в соответствии с их способностью изменять длину волн видимого и инфракрасного излучения. Благодаря таким характеристикам кристалл LiNbO₃ нашел свое применение во многих устройствах, начиная от мобильных телефонов и заканчивая оптическими модуляторами. Благодаря высокому значению скорости распространения поверхностной волны (3500 - 4600 м/с в зависимости от среза) пластины и элементы из ниобата лития применяются для широкополосных устройств. Так же кристаллы ниобата лития применяются в устройствах на объемных акустических волнах и в качестве акустооптических затворов [1].

 

 

Рисунок 3. Кристаллы ниобата лития, выращенные в лаборатории 25 Института химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева.

С кристалламидля фильтров на поверхностных акустических волнах (одним из основных таковым является кристалл ниобата лития) во многом связано функционирование аппаратуры, реализующей современные телекоммуникационные технологии. Они широко используются в сотовой связи, интегральной оптике, для сверхбыстрого Интернета и имеют целый ряд оптических применений (генерация оптических гармоник, параметрическая генерация, электрооптика) и т.д. Мировой рынок кристаллов ниобата лития составляет около 200 тонн в год или $12 млрд., причем в России их продается около 1000 кг в изделиях. Пока рынок кристаллов ниобата лития определяется, в основном, быстро растущим рынком сотовых телефонов, но в будущем, весьма возможно, его потеснит рынок устройств для сверхбыстрого Интернета, который семимильными темпами растет в Японии и имеет прекрасные перспективы и в Европе, и в России. Современные оптические модуляторы повышенного качества из кристаллов ниобата лития обеспечивают передачу информации по одному оптоволокну со скоростью от 8 до 320 Гбит/сек, что, по крайней мере, на 2 порядка выше, чем лучшая стандартная Интернет-связь в нашей стране [1, 2].

Физические свойства кристалла LiNbO₃ можно серьезно улучшать при вводе в состав кристалла специальных примесей (легирующих элементов). Для легирования используют различные катионы: Mg, Zn, Gd, B, Cu и т.д. Однако в промышленности используются пока только кристаллы LiNbO₃ легированные магнием, как функциональные оптические материалы с низким эффектом фоторефракции [1, 2].

Кристаллу ниобата лития присуще проявление эффекта фоторефракции (эффекта фотоиндуцированного изменения показателя преломления). Этот эффект является мешающим фактором, так как при прохождении через кристалл ниобата лития лазерного луча происходит сильное искажение луча лазера, что ограничивает области применения таких кристаллов. Для избавления от эффекта фоторефракции кристаллы ниобата лития при выращивании легируют катионами Mg, Zn и т.д. [1, 2] Однако необходимо подобрать оптимальную концентрацию легирующего катиона, так как большие концентрации легирующих добавок приводят к значительной неоднородности выращенных кристаллов, а значит, к ухудшению его свойств. Эффект фоторефракции проявляется в следующем: электроны, связанные с дефектами кристалла, под действием лазерного излучения начинают перемещаться по структуре кристалла и захватываются другими дефектами. При этом образуются сильные нескомпенсированные электрические поля [1-3], которые будут искажать волну излучения, проходящего через кристалл. Наличие и величину эффекта фоторефракции можно изучать методом фотоиндуцированного рассеяния света.