Градиентный периодически поляризованный ниобат лития Российский патент 2017 года по МПК H01S3/109 

Описание патента на изобретение RU2614199C1

Изобретение относится к лазерной технике, в частности к нелинейным оптическим материалам с удвоением частоты, генерирующим в видимой и ИК-областях спектра.

В качестве активных материалов для оптического излучения используются нелинейные кристаллы, которые способны излучать гармоники опорного лазерного излучения.

Эффективность периодически поляризованного ниобата лития (PPLN) зависит от следующих факторов:

- входной мощности опорного сигнала;

- особенностей структуры и состава кристаллического материала (состав кристаллической матрицы, наличие примесей, вид регулярной доменной структуры, нелинейно-оптические коэффициенты);

- длины кристалла PPLN;

- вида опорного сигнала (импульсный/непрерывный).

Известен кристалл ниобата лития конгруэнтного состава, в котором соотношение R=Li/Nb изменяется в пределах от 0,8 до 0,93. Его используют для преобразования оптического излучения и инфракрасного излучения спектра. Однако этот материал обладает рядом недостатков, а именно:

- у него высокая зависимость эффективности преобразования от температуры (Q-фактор);

- низкая лучевая стойкость к опорному лазерному излучению.

Такие особенности конгруэнтного по составу кристалла ниобата лития обусловлены развитой дефектной структурой кристалла, что объясняет их относительно низкую лучевую стойкость к лазерному излучению и ограничивает их применение в оптических устройствах [Сюй А.В., Литвинова М.Н., Гончарова П.С., Сидоров Н.В., Палатников М.Н., Криштоп В.В., Лихтин В.В. Преобразование широкополосного теплового излучения кристаллами ниобата лития разного состава / Журнал технической физики, 2013. - Т. 83. - Вып. 5. С. 109-114].

Широкое распространение получили кристаллы ниобата лития стехиометрического состава, выращенные из расплава с 58,6 мол. % Li2O (LiNbO3стех). Кристаллы ниобата лития стехиометрического состава с отношением R, близким к единице, (R=Li/Nb), отличаются высокоупорядоченной катионной подрешеткой [Сидоров Н.В., Антонычева Е.А., Сюй А.В., Палатников М.Н. Фоторефрактивные свойства монокристаллов ниобата лития стехиометрического состава / Кристаллография, 2010. - Т. 55. - №6. - С. 1079-1084] и обладают повышенной лучевой стойкостью по сравнению с конгруэнтными кристаллами.

Известен PPLN околостехиометрического состава с регулярной доменной структурой [Литвинова М.Н., Сюй А.В., Криштоп В.В., Сидоров Н.В., Палатников М.Н. / Преобразование широкополосного ИК-излучения в кристаллах ниобата лития стехиометрического и конгруэнтного состава / Наука и образование: научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2012. - №7. - С. 24]. Эффективность генерации второй гармоники (ГВГ) на таком PPLN достигает значений более 60%. Однако преобразование опорного излучения длиной волны 1,064 мкм либо 1,053 мкм в ИК-спектральную область в среднем варьируется от 7-15%.

Наиболее близким аналогом к заявляемому материалу является монокристалл ниобата лития околостехиометрического состава Li0,964Nb0,994O3 [патент № US 7327768 B2, Michio Ohkubo, Hiroshi Matsuura, заявка US №11/075,912, патентообладатель The Furukawa Electric Co., Ltd. опубл. 05.02.2008, заявл. 10 03.2005].

Для усиления градиента вектора волновой расстройки с целью увеличения эффективности преобразования в материале создают неравномерную доменную структуру с изменяющимся периодом. Тем самым достигается эффективность преобразования опорного оптического излучения в ИК-области спектра до 25% [А.Н. Norton and С.М. de Sterke. Aperiodic 1-dimensional structures for quasi-phasematching / Opt. Express, 2004. - 12 (5). - pp 185-198].

Недостатком прототипа является высокая температурная зависимость параметров работы и неравномерное распределение теплового поля по всей длине кристалла, возникающего под воздействием непрерывного лазерного излучения.

Техническим результатом предлагаемого технического решения является повышение эффективности PPLN в ИК-области спектра.

Для достижения технического результата предложен монокристаллический материал на основе ниобата лития, с неоднородным распределением лития по заданному закону вдоль активного лазерного элемента следующей структурной формулы:

где:

p=49,98 ат. % или 0,9996 ат. доли.

R=k*x, 0,94≤x≤0,96.

z - пространственная координата, направленная вдоль длины кристалла (см) в системе отсчета, берущей начало на входной грани PPLN.

Заявляемый монокристаллический материал и прототип содержат одни и те же исходные компоненты, но в отличие от прототипа их содержание и распределение в материале неравномерно (градиентно) и концентрации компонент соответствуют формулам (1)-(4). Это обеспечивает повышение оптической эффективности PPLN, что определено увеличением градиента вектора волновой расстройки.

Градиент концентраций компонент материала PPLN определяет снижение и выравнивание уровня температурного поля по всей длине материала, возникающего под воздействием непрерывного лазерного излучения.

На фиг. 1 представлен профиль концентрации C(Li) мол. % в заявляемом PPLN; на фиг. 2 - расчетные графики эффективности преобразования во вторую гармонику предлагаемой матрицы кристалла, где на графике 1 - постоянная концентрация C(Li) мол. % (прототип); на графике 2 - градиентная концентрация C(Li) мол. % (заявляемый материал).

Образцы монокристаллического материала получали по способу, описанному в патенте RU №2402646, МПК C30B 15/20 (2006.01), C30B 15/02 (2006.01), C30B 15/12 (2006.01), опубл. 27.10.2010.

Пример конкретного выполнения.

Шихта для монокристаллического материала градиентного состава общей формулы Lia(z)Nbb(z)O3 изготавливалась из карбоната лития массой 189 г и оксида ниобия массой 694 г.

При расчете шихты рассчитывали массу расплава в тигле-реакторе по формуле (5) при учете глубины погружения тигля-реактора диаметром 3,5 см в расплав основного тигля на величину 1 см

где:

d - диаметр тигля-реактора;

ρ - плотность расплава.

mреакт=(3,14*3.52)/4*1*3,95=84 г.

Для обеспечения заданного концентрационного профиля ионов Li+1 в расплав тигля-реактора досыпали 119 г оксида лития.

Линейная скорость вытягивания кристалла 1 мм/ч, линейная скорость опускания тигля-реактора во время вытягивания изменяли от 0 мм/ч до 0,11 мм/ч.

Результирующее распределение концентрации для i-й компоненты расплава вычисляли в соответствии с выражением

где:

Nc - число частиц в кристалле;

mc - масса кристалла в затравке для вытягиваемого кристалла, г;

Ni - число частиц во тигле-реакторе;

mi - масса расплава в тигле-реакторе, г;

k - коэффициент вхождения компонента из расплава в кристалл;

- параметр подпитки;

V1 - массовая скорость расплава, поступающего из основного тигля в тигель-реактор, г/ч;

Vcr - массовая скорость вытягивания кристалла, г/ч.

Запланированное изменение состава кристалла во время выращивания приводит к определенному рассогласованию фазовых скоростей взаимодействующих волн, перераспределению эффективности нелинейно-оптического преобразования (при постоянном периоде доменной структуры) и, как следствие, сглаживанию и уменьшению температурного влияния собственного поглощения кристаллической матрицы [Строганова Е.В., Галуцкий В.В., Ткачев Д.С. и др. / Оптика и спектроскопия, 2014. - Т. 117. - №6 - С. 1012-1017]. Тем самым обеспечивается повышение эффективности преобразований в заявленном материале за счет нарастания градиента вектора волновой расстройки.

Заявляемый PPLN имеет геометрические размеры 1×1×8 мм и помещается в алюминиевый бокс, температура которого поддерживается постоянной внешним терморегулятором на уровне 30°C, опорным сигналом служит излучение волоконного лазера мощностью 18 Вт.

В таблице 1 приведены сравнительные характеристики различных по составу PPLN, эффективность которых рассчитывалась при равных граничных условиях и способах эксплуатации по методике, которая приведена в работе [Sidorov N.V., Volk T.R., Mavrin B.N., Kalinnikov V.T. Lithium niobate: Defects, photorefraction, vibrational spectrum, polaritons. Moscow, Nauka Publ., 2003. - 255 p.].

Как видно из таблицы 1, градиентный состав PPLN превосходит по эффективности материал конгруэнтного и материал стехиометрического составов. Порог лучевой прочности градиентного PPLN равен значениям показателя стехиометрического состава, что обеспечивает запас оптической прочности заявляемого материала. Значения Q-фактора для градиентных кристаллов PPLN позволяют сделать вывод о малой зависимости эффективности преобразования заявляемого материала от температуры в сравнении с конгруэнтным и стехиометрическим составами.

Наибольшей эффективности оптического преобразования достигают в материалах с градиентным профилем в виде нарастающего гиперболического тангенса.

Эффективность оптического преобразования градиентного PPLN для мощных непрерывных лазеров, оказывается в 1,5-4 раза выше, чем эффективность преобразований традиционных оптически однородных кристаллов ниобата лития. Однако такие высокие значения по эффективности оптического преобразования наблюдаются у градиентного PPLN на ограниченном интервале мощностей накачки по сравнению с оптически однородным кристаллом ниобата лития на том же интервале накачки (фиг. 2). Высокая эффективность градиентного PPLN обусловлена отсутствием термически активированных оптических искажений мощностей накачки.

Предлагаемый материал может найти применение как источник излучения для таких технологий, как расширение спектрального диапазона в средствах связи (переход из одного окна прозрачности в другое и т.д.), цветные лазерные дисплеи, биомедицинская диагностика, аналитические измерения.

Похожие патенты RU2614199C1

название год авторы номер документа
СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ПЕРИОДИЧЕСКИ ПОЛЯРИЗОВАННОГО НИОБАТА И ТАНТАЛАТА ЛИТИЯ ДЛЯ НЕЛИНЕЙНО-ОПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЛОКАЛЬНОЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ НИОБАТА И ТАНТАЛАТА ЛИТИЯ 2009
  • Борисов Евгений Николаевич
  • Грунский Олег Сергеевич
  • Курочкин Алексей Викторович
  • Поволоцкий Алексей Валерьевич
RU2425405C2
Способ получения борсодержащего монокристалла ниобата лития 2022
  • Титов Роман Алексеевич
  • Бирюкова Ирина Викторовна
  • Палатников Михаил Николаевич
  • Сидоров Николай Васильевич
  • Кравченко Оксана Эдуардовна
  • Кадетова Александра Владимировна
RU2777116C1
Способ оценки стехиометрии монокристалла ниобата лития 2020
  • Бобрева Любовь Александровна
  • Сидоров Николай Васильевич
  • Палатников Михаил Николаевич
RU2743899C1
СПОСОБ ВЫРАЩИВАНИЯ ЛЕГИРОВАННЫХ КРИСТАЛЛОВ НИОБАТА ЛИТИЯ СОСТАВА, БЛИЗКОГО К СТЕХИОМЕТРИЧЕСКОМУ, И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ 2007
  • Грунский Олег Сергеевич
  • Денисов Алексей Викторович
  • Бадмаев Цеден Викторович
RU2367730C2
СПОСОБ ВЫРАЩИВАНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ С ЗАДАННЫМ РАСПРЕДЕЛЕНИЕМ ПРИМЕСЕЙ ПО ЕГО ДЛИНЕ 2009
  • Галуцкий Валерий Викторович
  • Строганова Елена Валерьевна
RU2402646C1
МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ДИСКОВОГО ЛАЗЕРА 2015
  • Строганова Елена Валерьевна
  • Галуцкий Валерий Викторович
  • Ткачев Дмитрий Сергеевич
  • Яковенко Николай Андреевич
RU2591257C1
СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ДОМЕННОЙ СТРУКТУРЫ В МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ ПЛАСТИНЕ НЕЛИНЕЙНО-ОПТИЧЕСКОГО СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКА 2008
  • Шур Владимир Яковлевич
  • Батурин Иван Сергеевич
  • Негашев Станислав Александрович
  • Кузнецов Дмитрий Константинович
RU2371746C1
МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ С НЕОДНОРОДНЫМ РАСПРЕДЕЛЕНИЕМ ОПТИЧЕСКИХ ПРИМЕСЕЙ ДЛЯ АКТИВНОГО ЛАЗЕРНОГО ЭЛЕМЕНТА 2015
  • Строганова Елена Валерьевна
  • Галуцкий Валерий Викторович
  • Налбантов Николай Николаевич
  • Цема Александр Алексеевич
  • Яковенко Николай Андреевич
RU2591253C1
СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ БИДОМЕННОЙ СТРУКТУРЫ В ПЛАСТИНАХ МОНОКРИСТАЛЛОВ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКОВ 2013
  • Малинкович Михаил Давыдович
  • Быков Александр Сергеевич
  • Григорян Седрак Гургенович
  • Жуков Роман Николаевич
  • Киселев Дмитрий Александрович
  • Кубасов Илья Викторович
  • Пархоменко Юрий Николаевич
RU2566142C2
НИОБАТЫ И ТАНТАЛАТЫ ЩЕЛОЧНЫХ И ЩЕЛОЧНОЗЕМЕЛЬНЫХ МЕТАЛЛОВ В КАЧЕСТВЕ ВЕЩЕСТВ ЗАЩИТНЫХ ПРИЗНАКОВ 2011
  • Кехт Иоганн
  • Штайнлайн Штефан
  • Шток Кай Уве
RU2571751C2

Иллюстрации к изобретению RU 2 614 199 C1

Реферат патента 2017 года Градиентный периодически поляризованный ниобат лития

Изобретение относится к лазерной технике. Монокристаллический материал на основе ниобата лития, с неоднородным распределением лития по заданному закону вдоль активного лазерного элемента, характеризуется следующей структурной формулой:

Lia(z)Nbb(z)O3 где: a(z)=p*F(z), где 0,99≤a(z)≤1; b(z)=a(z)/R, где R=Li/Nb, где 0,93≤b(z)≤0,96; F(z)=th(z); p=49,98 ат. % или 0,9996 ат. доли; R=k*x, 0,94≤x≤0,96, z - пространственная координата, направленная вдоль длины кристалла (см) в системе отсчета, берущей начало на входной грани. Предлагаемый материал обладает повышенной оптической эффективностью. Техническим результатом является повышение эффективности периодически поляризованного ниобата лития в ИК-области спектра. 2 ил., 2 табл.

Формула изобретения RU 2 614 199 C1

Градиентный периодически поляризованный ниобат лития с неоднородным распределением лития вдоль активного лазерного элемента структурной формулы

Lia(z)Nbb(z)O3

где:

a(z)=p*F(z), где 0,99≤a(z)≤1

b(z)=a(z)/R, где R=Li/Nb, где 0,93≤b(z)≤0,96

F(z)=th(z)

р=49,98 ат. % или 0,9996 ат. доли.

R=k*x, 0,94≤x≤0,96.

z - пространственная координата, направленная вдоль длины кристалла (см) в системе отсчета, берущей начало на входной грани периодически поляризованного ниобата лития.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2017 года RU2614199C1

DE 10300080 A1, 2004.07.22
СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ДОМЕННОЙ СТРУКТУРЫ В МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ ПЛАСТИНЕ НЕЛИНЕЙНО-ОПТИЧЕСКОГО СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКА 2009
  • Шур Владимир Яковлевич
  • Батурин Иван Сергеевич
  • Негашев Станислав Александрович
  • Кузнецов Дмитрий Константинович
  • Лобов Алексей Иванович
RU2411561C1
JP 2001166348 A, 2001.06.22
ГАЛУЦКИЙ В.В и др."Модель оптических логических элементов на основе PPLN-преобразователя из градиентного ниобата лития"
НАУКА И МИР, N4(8), ТОМ 1, 2014.

RU 2 614 199 C1

Авторы

Строганова Елена Валерьевна

Галуцкий Валерий Викторович

Шмаргилов Сергей Андреевич

Кузора Виталий Федорович

Даты

2017-03-23Публикация

2015-12-16Подача