Способ формирования доменной структуры в кристалле тетрабората стронция или тетрабората свинца, нелинейный оптический конвертер и лазерная система на его основе Российский патент 2024 года по МПК G02F1/35 H01S3/109 

Область техники

Изобретение относится к области формирования и применения нелинейных оптических двойниковых антиполярных структур в кристаллах тетабората стронция и тетрабората свинца (SBO/PBO) для эффективного квазисинхронного преобразования лазерного излучения в их диапазоне прозрачности, соответственно.

Уровень техники

Основные понятия и термины.

Бикристалл - это кристаллическое образование из двух произвольно ориентированных монокристаллов, имеющих общую межкристаллическую границу.

Двойник - это бикристалл, представляющий собой закономерный сросток двух кристаллов одного минерального вида, в котором плоскость срастания для каждого из них играет одну и ту же кристаллографическую роль, т.е. принадлежит обоим индивидам одновременно. Но, если в параллельных сростках структуры обоих индивидов продолжают друг друга по обе стороны поверхности срастания, т.е. могут быть связаны параллельным переносом, то в двойниках они связаны одной из удваивающих операций симметрии: поворотом на 180°, отражением в плоскости или инверсией. Таким образом, двойникующими элементами симметрии могут быть: либо ось 2-го порядка, либо зеркальная плоскость симметрии, либо центр инверсии. При этом двойникующие элементы симметрии не должны совпадать с уже имеющимися элементами симметрии индивидов, иначе будет иметь место параллельный сросток. В зависимости от числа двойникующихся индивидов кроме собственно двойников образуются тройники, четверники и т.д. Если при срастании нескольких кристаллов способ двойникования многократно повторяется и двойникующие элементы оказываются параллельными друг другу, то в двойниковом положении находятся лишь соседние индивиды, а следующие через один - взаимно параллельны. Такой двойник называется полисинтетическим (Егоров-Тисменко Ю.К., Кристаллография и кристаллохимия: учебник / Ю.К. Егоров-Тисменко; под ред. академика В.С. Урусова. - М.: КДУ, 2005. - 592 с: ил.).

Антиполярный двойник - это двойник с межкристаллической границей радела двух монокристаллов одной природы с противоположно ориентированнымим полярными кристаллографическими направлениями.

Домен - общепринятое обозначение областей в материалах (как правило, кристаллах) отличающихся направлением намагниченности (ферромагнитные домены) или электрической поляризации (сегнетоэлектрические домены) или деформацией (сегнетоэластические домены), т.е., вообще говоря, в ферроиках - в веществах, в которых направление этих величин (их знак) можно изменить соответствующим внешним воздействием достаточной величины на противоположное. Сегнетоэлектрические домены, как в титанил-фосфате калия или ниобате лития, - это области кристалла, отличающиеся переворотом направления полярной кристаллографической оси на 180 градусов и это направление можно изменять прикладыванием к этой области внешнего электрического поля противоположной полярности. В этом случае, сегнетоэлектрический домен - это один из компонентов антиполярного двойника, в смысле: пара доменов противоположной полярности образует один антиполярный двойник. В некоторых несегнетоэлектрических кристаллах (в частности, в SBO/PBO) образование таких областей возможно только путем их формирования в процессе роста, что отвечает термину «двойник роста» или «ростовой двойник». Сегнетоэлектрический домен управляется внешним электрическим полем, а несегнетоэлектрический домен не управляется. Тем не менее, следуя устоявшемуся принципу, будем называть компоненты ростовых антиполярных двойников в кристаллах SBO/PBO - доменами при описании структур и приборов их содержащих, следуя традиционному ранее использованному описанию в аналогичных приборах.

Для описания структуры тетраборатов стронция и свинца установка кристаллографических осей выбрана стандартным образом, как в работе [2], т.е., пространственная группа кристаллической решетки - Pmn2₁, параметры элементарной ячейки SBO: а=10.698 Å, b=4.421 Å, с=4.228 Å; РВО: а=10.839 Å, b=4.455 Å, с=4.244 Å.

Положительный/отрицательный домен SBO/PBO - компоненты антиполярного двойника SBO/PBO с соответствующей ориентацией полярной кристаллографической оси <001>. С практической точки зрения смысл имеет то, какое направление имеет полярная кристаллографическая ось относительно полярной поверхности кристалла, т.е. направлена она из кристалла наружу (положительное направление), или в кристалл (отрицательное направление). В соответствие с кристаллографической установкой, принятой в работе [2], за «положительный» домен принимается компонент двойника, поверхности {001} которого имеют высокую (до 100 раз больше) скорость травления в разбавленных азотной или соляной кислотах в сравнении с {001} поверхностями «отрицательных» доменов.

Направление полярной кристаллографической оси - в структуре кристаллов, обладающих кристаллической решеткой, не содержащей центра инверсии, имеются направления, оба конца которых кристаллографически различны и не могут быть совмещены один с другим при помощи элементов симметрии данного кристалла. Они называются полярными направлениями. В структуре кристалла SBO/PBO таким направлением является кристаллографическое направление <001>, или, в общепринятом варианте, кристаллографическая ось с (параметр кристаллографической решетки в этом направлении с=4.228 Å для SBO, и с=4.244 Å для РВО). Вдоль этого направления могут проявляться такие полярные эффекты, как возникновение (изменение) электрической поляризации при пироэлектрическом или продольном пьезоэлектрическом эффектах. Само направление полярной оси, т.е., например, положительное направление этой оси, может быть выбрано произвольно относительно вида кристаллической структуры, но, в любом случае, именно для этой оси «положительное» и «отрицательное» направления будут структурно неэквивалентны.

Двойниковая структура SBO/PBO - множественное расположение антиполярных двойников в объеме кристалла SBO/PBO.

Упорядоченная двойниковая структура SBO/PBO - это двойниковая структура SBO/PBO, двойниковые компоненты которой имеют вид плоских параллельных слоев, ориентированных параллельно кристаллографической плоскости {010}, причем толщина этих слоев (размер вдоль кристаллографического направления <010>) задается толщиной двойников в затравочном кристалле.

Микродвойник SBO/PBO - двойник, который первично возникает в процессе спонтанного ростового двойникования в кристаллах SBO/PBO и представляет собой неупорядоченную, неплоскую, ветвящуюся двойниковую структуру (с характерным размером вдоль кристаллографического направления <010> порядка 1 мкм и менее).

Рост из собственного расплава объемных монокристаллов тетрабората стронция - SrB₄O₇ и тетрабората свинца PbB₄O₇ (SBO/PBO), в частности, по методу Чохральского, приводит к спонтанному формированию внутри растущей були антиполярной двойниковой структуры [1]. В ней содержится множество границ раздела двойников. Морфологические особенности такой спонтанно формирующейся двойниковой структуры в первую очередь определяются пирамидами роста полученного кристалла, Фиг. 1: 1 - Кристалл SBO, выращенный на ориентированную бездвойниковую затравку. Показано несколько сечений плоскостями типа {001}, {010} и {100} нескольких пирамид роста со стороны отрицательного направления разращивания кристалла; 2 - ориентированная затравка с 3 - отрицательной полярной гранью 4 и 5 - ростовые отрицательные грани оформляющие кристалл с отрицательного направления разращивания; 6 - ростовая грань оформляющая кристалл с боковой стороны; 7 - микродвойники (показаны на сечениях волнистыми линиями), выходящие на сечение плоскостью типа {001}; 8 - плоские неупорядоченные положительные домены; 9 - пунктирные линии - продолжение в отсутствующей части кристалла пирамид роста отрицательными гранями типа В этой области происходит спонтанное образование неупорядоченных микродвойников. От границы между этой зоной и пирамидой роста гранью вниз, в эту пирамиду прорастают порожденные микродвойниками плоские неупорядоченные положительные домены; тонкие линии - внешние грани и ребра выращенного кристалла, удаленные сечениями.

Так, в [2] было показано, что спонтанное двойникование постоянно происходит в процессе роста только в пирамидах роста исходно (т.е., согласно ориентации исходной затравки) отрицательной гранью типа и структурно ей эквивалентной Такое спонтанное двойникование приводит к появлению множества неупорядоченных ветвящихся двойников - микродвойников. Появление микродвойника в окрестности ребра между такой «отрицательной» гранью и гранью {100} в некоторых случаях приводит к его прорастанию в смежную пирамиду - пирамиду роста гранью {100}. Характер дальнейшего роста двойниковой области в этой пирамиде в процессе роста таков, что в результате образуется макроскопический плоский двойниковый слой постоянной толщины, что является благоприятным фактором для создания регулярной плоской двойниковой структуры с широкой апертурой для применения при конвертации лазерного излучения нелинейно-оптическим элементом с упорядоченной двойниковой структурой SBO/PBO, с квазисинхронным согласованием фаз при нелинейной генерации гармоник [2-5]. Эффективное преобразование лазерного излучения необходимой длины волны возможно в диапазонах прозрачности SBO 130-2600 нм и РВО 250-2600 нм.

Как известно, кристаллы тетрабората стронция обладают превосходными свойствами среди других боратов. Во-первых, у них достаточно большая ширина запрещенной зоны -9 эВ, а граница УФ-отсечки составляет около 130 нм. Кристаллы высокостабильны, негигроскопичны, обладают очень высокой теплопроводностью среди боратов -16 Вт/(м*К). И очень важно, что эти кристаллы свободны от двухфотонного поглощения на длине волны 266 нм - это крайне нежелательный нелинейный эффект, который ведет к потере мощности и снижению эффективности нелинейного преобразования частот.

В публикации WO 2020131652 описан кристалл SrB₄O₇ или PbB₄O₇, который сконфигурированный со множеством антиполярных доменов с соответствующей периодически изменяющейся полярностью кристаллографической оси, способный к квазисинхронной генерации мод, в котором домены имеют высоко параллельные стенки, отклоняющиеся друг от друга менее, чем на 1 мкм на расстоянии 10 мм. Недостатком такого кристалла как и технологии его получения является то, что его практически невозможно получить для применения во всей области прозрачности кристалла SrB₄O₇ или PbB₄O₇ без дефектов роста отрицательного домена - спонтанного двойникования и, тем более, управлять параллельностью стенок ввиду объективных причин, поскольку параллельность уже заложена в строении самой решетки кристалла и не требует какого-либо контроля. Эти же недостатки относятся и к описанному в публикации способу: способ изготовления периодической структуры нелинейных кристаллов тетраборатов стронция (SrB₄O₇) или свинца (PbB₄O₇), содержащий:

- структурирование поверхности кристаллического блока SrB₄O₇ или PbB₄O₇, тем самым обеспечивая множество чередующихся защищенных и незащищенных областей одинакового размера с одинаковым знаком полярности на поверхности;

- создание возмущения на структурированной поверхности, тем самым изменяя знак полярности каждой области так, чтобы обеспечить в кристаллах SrB₄O₇ или PbB₄O₇ множество доменов с чередующейся полярностью и способных к квазисинхронной генерации мод.

Указанный способ предполагает получение затравки с двойниковой структурой, которая служит задающей период матрицей. Затем, эта структура воспроизводится в части объема растущего кристалла при разращивании этой структурированной затравки в ширину, в сторону увеличения размера плоскостей, с использованием традиционных методов выращивания кристаллов из расплава или раствор-расплава (Чохральского или др.), тем самым, приобретая необходимые для производства нелинейнооптических элементов геометрические размеры плоскостей в двух пространственных измерениях. Разращивание затравки с наследованием ее двойниковой структуры предполагает увеличение геометрических размеров кристалла в полярном направлении, что происходит за счет его роста гранями типа {101}. Недостатком этого способа является дополнительное спонтанное двойникование и возникновение микродвойников в растущей упорядоченной, в силу геометрии затравки, двойниковой структуре SBO/PBO. Именно на отрицательных участках растущей грани {101} образуются микродвойники, которые, в свою очередь, могут прорастать в пирамиду роста гранью {100} и приводить к появлению вторичных положительных доменов внутри исходного разращиваемого отрицательного домена в соответствии с вышеописанным механизмом ростового двойникования. Таким образом, при разращивании двойниковой затравки, при некоторых параметрах используемого процесса разращивания кристалла (величина переохлаждения, распределение температуры на растущей поверхности, скорость роста и т.п.), нарастающий объем кристалла, в зоне отрицательных доменов двойников, неуправляемо может разбиваться на дополнительные двойники - начиная уже с толщин доменов более 7 мкм по всей ширине апертуры плоского участка. Такое дополнительное двойникование способно привести к спонтанному росту и нарушению упорядоченности двойниковой структуры SBO/PBO, спонтанное разбиение отрицательного домена приводит к уменьшению его толщины на 30-80%, что существенным образом уменьшает эффективность нелинейного оптического преобразования излучения с помощью квазисинхронизма в элементе с такой дефектной двойниковой структурой.

На этом основании, в публикациии WO 2020132043 по тем же причинам не может быть реализована лазерная система, основанная на использовании вышеописанного способа, технологии и нелинейного оптического кристалла SBO/PBO в качестве конвертера частот. Проблемы возникают в эффективности конвертера как основного элемента лазерной системы при преобразовании частоты - эффективность снижается из-за наличия в конвертере спонтанных микродвойников. Этот эффект возникает в доменах с отрицательной полярностью размером по толщине более 7 мкм, что влечет непригодность такого кристалла к использованию в конвертере лазерных частот во всем диапазоне прозрачности SBO/PBO.

Для устранения описанного выше недостатка технологии разращивания упорядоченной структуры SBO/PBO путем вытягивания затравки из расплава предлагается новый способ разращивания плоско-параллельных двойников, который стабилизирует рост отрицательного домена и структуры в целом, и обеспечивает эффективное использование такой упорядоченной структуры в нелинейном оптическом конвертере лазерного излучения и различных лазерных системах с квазисинхронным согласованием частот.

Раскрытие изобретения

Цель настоящего изобретения - предложить новый способ формирования упорядоченной структуры SBO/PBO в отсутствие спонтанного двойникования и появления микродвойников, его осуществление и применение в изготовлении нелинейного оптического конвертера лазерных частот при генерации гармоник с квазисинхронным механизмом согласования частот. Технический результат: стабилизация роста упорядоченной двойниковой структуры SBO/PBO с антиполярными доменами толщиной 7 - 50 мкм, а в плоско-параллельном направлении до и более 50 мм, предотвращение спонтанного двойникования отрицательных доменов, получение высококачественного бездефектного нелинейно оптического преобразователя и эффективной лазерной системы с его использованием.

В изобретении предлагается способ формирования плоско-параллельной упорядоченной двойниковой структуры антиполярных доменов в кристалле SBO/PBO, путем вытягивания затравки из расплава, отличающийся тем, что для предотвращения спонтанного двойникования каждого отрицательного домена используют затравку, конфигурация которой обеспечивает дополнительный рост внутри него по меньшей мере одной компланарной зоны с положительной полярностью.

Также предлагается нелинейный оптический конвертер для преобразования лазерного излучения на основе плоско-параллельной упорядоченной двойниковой структуры антиполярных доменов в кристалле SBO/PBO, содержащий в каждом отрицательном домене по меньшей мере одну компланарную зону с положительной полярностью.

Также предлагается лазерная система содержащая,

- лазерный источник с генерацией узкополосного и/или широкополосного лазерного излучения;

- по меньшей мере один нелинейный оптический конвертер для квазисинхронного преобразования лазерного излучения на основе плоско-параллельной упорядоченной двойниковой структуры антиполярных доменов в кристалле SBO/PBO, причем каждый отрицательный домен содержит по меньшей мере одну компланарную зону с положительной полярностью.

Другие отличительные и существенные признаки изобретения будут раскрыты ниже и проиллюстрированы на чертежах, в подробном его описании и на примерах осуществления.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1. Схематичная картина возникновения микродвойников и спонтанного двойникования в кристалле SBO, выращенном из исходно бездефектной монокристаллической затравки, из собственного расплава (методы Чохральского, Киропулоса и т.п.).

Фиг. 2. Спонтанное разбиение отрицательных доменов в разращиваемой исходно упорядоченной двойниковой структуре кристалла SBO/PBO с образованием микродвойников и спонтанных плоских положительных доменных вставок.

Фиг. 3. Предлагаемая упорядоченная двойниковая структура в затравочном кристалле SBO/PBO с одной тонкой компланарной зоной с положительной полярностью в отрицательном домене двойников. Поверхность {001}.

Фиг. 4. Схема лазерной системы с нелинейным оптическим конвертером с одним фиксированным порядком плоско-параллельной упорядоченной двойниковой структуры антиполярных доменов в кристалле SBO/PBO в качестве конвертера фундаментальной частоты лазера для удвоения частоты.

Фиг. 5. Схема лазерной системы с нелинейным оптическим конвертером с двумя фиксированными порядками периодической структуры антиполярных доменов в кристалле SBO/PBO в качестве конвертера фундаментальной частоты лазера для генерации четвертой гармоники.

Фиг. 6. Микрофотография участка среза {001} выращенной були кристалла SBO с бездефектной двойниковой упорядоченной структурой антиполярных доменов.

Фиг. 7. Фотография були кристалла SBO с бездефектной двойниковой упорядоченной структурой антиполярных доменов, выращенной из затравки (вверху) по предложенному способу.

Осуществление изобретения

Нами установлено, что в условиях, оптимальных для выращивания объемного кристалла SBO/PBO, разрастающиеся в отрицательном направлении полярной оси домены имеют высокую вероятность спонтанного разбиения на дополнительные двойники 8 в случае, если их межплоскостная толщина вдоль кристаллографического направления <010> превышает 7 мкм (фиг. 2). Неупорядоченное спонтанное микродвойникование 7 в кристалле SBO отсутствует в отрицательном домене на некотором расстоянии h от ближайшей границы с положительным доменом, причем, это расстояние h максимально, около 4 мкм, вблизи границы 11 (горизонтальная пунктирная линия) между пирамидами роста гранями {101} (А) и {100} (В).

Этот эффект также предотвращает появление спонтанных плоских положительных доменов 8 в теле отрицательного на расстоянии меньшем, чем h от ближайшей двойниковой границы. Установлено, что в условиях, оптимальных для выращивания объемного кристалла SBO/PBO высокого оптического качества параметр h должен быть не более 4 мкм. Так, например, в кристалле SBO при разращивании затравки с периодом более 7 мкм растет вероятность спонтанного двойникования отрицательных доменов. Поэтому для стабилизации роста упорядоченной двойниковой структуры SBO и предотвращения спонтанного двойникования внутри отрицательного домена на растущей отрицательной грани {101}, необходимо обеспечить ограничение его толщины в пределах 2h в разращиваемой плоско-параллельной периодической структуре путем встраивания тонкого двойника в виде положительной зоны толщиной 0,1-2 мкм. Делается это на стадии формирования фотолитографией периодической конфигурации будущей структуры на разращиваемой поверхности монокристалла SBO/PBO уже известным способом, описанным в прототипе. Наличие такой «тонкой» структуры в геометрии отрицательного домена препятствует появлению в нем неконтролируемых микродвойников 7 и их прорастание в пирамиду роста гранью {100} с образованием спонтанных плоских положительных доменов 8 (фиг. 2).

По этой причине изменена конфигурация 12 затравки и размеры двойниковой упорядоченной структуры кристалла SBO/PBO (фиг. 3) на стадии фотолитографии на поверхности монокристалла путем создания дополнительного центра роста тонкой положительной зоны 13 в имеющемся отрицательном домене, без нарушения периода структуры Т с антиполярными доменами, число которых может возрости на длине периода от двух до пяти, и более для больших периодов, например 100 мкм. При этом, размер этого дополнительного положительного центра роста, существенно меньше размера (толщины) самого отрицательного домена, который распался на два отрицательных домена, разделенных между собой тонкой 0,1 -2 мкм, примерно до 10% от периода упорядоченной структуры, положительной компланарной зоной. Период структуры не изменяется и остается равным Т для выбранной частоты лазерного излучения. При этом есть несколько вариантов изменения размеров вновь образованных антиполярных доменов при неизменности периода структуры Т. Первый вариант - толщина положительного домена не изменяется, толщина отрицательного домена уменьшается на толщину дополнительного центра роста (фиг. 3). Второй вариант - толщина положительного домена уменьшается на толщину дополнительного центра роста в отрицательном домене (без демонстрации на фиг.). Третий вариант - уменьшаются одинаково и толщина положительного домена, и толщина отрицательного домена на половину толщины дополнительного центра роста (без демонстрации на фиг.). Остальные варианты - это промежуточные состояния. Измененная, таким образом конфигурация затравки разращивается в ширину до 50 мм и более, в сторону роста плоско-параллельных (компланарных) плоскостей традиционным способом из расплава путем вытягивания сконфигурированной затравки с запланированным наличием в каждом отрицательном домене зоны с положительной ориентацией полярной кристаллографической оси, что обеспечивает стабилизацию роста бездефектной упорядоченной структуры кристалла SBO/PBO. В результате получают в каждом отрицательном домене начиная со структур, содержащих домены толщиной более 7 мкм, наличие дополнительной прослойки в виде более тонкой компланарной, в силу строения кристаллической решетки, зоны с положительной полярностью толщиной 0,1-2 мкм или до 10% от периода выращенной структуры.

Дальнейшее описание основано на анализе первого варианта компоновки антиполярных доменов в соответствии с фиг. 3.

Крайне нежелательный эффект спонтанного двойникования, наиболее сильно проявляется как раз в области границы 11 между гранями {101} и {100} растущего кристалла SBO (вид 10, фиг. 2), где и происходит выход микродвойников 7 в другую пирамиду роста с образованием нежелательного в данном случае спонтанного плоского положительного домена 8. Таким образом, наблюдаемое явление снижает вероятность и предотвращает спонтанное двойникование при разращивании затравки исходной двойниковой упорядоченной структуры и целенаправленно используется в настоящем изобретении.

Для стабилизации роста компланарных плоскостей упорядоченной двойниковой структуры кристалла SBO с доменами 7-50 мкм и периодом 14-100 мкм, соответственно, и предотвращения спонтанного двойникования отрицательных доменов была изменена конфигурация двойниковой упорядоченной структуры SBO/PBO. Для этого двойниковая структура затравка кристалла SBO/PBO дополнена еще одним дополнительным центром роста положительной, более тонкой зоной в отрицательном домене. Период Т двойниковой структуры при этом сохранился. Обуживание отрицательного домена осуществляют за счет разращивания тонкой прослойки в виде положительного тонкой зоны толщиной 0,1-2 мкм. Это позволяет использовать, выращенную таким образом упорядоченную структуру по назначению в качестве нелинейного оптического конвертера для квазисинхронного согласования частот при генерации лазерных гармоник.

Число таких тонких положительных прослоек толщиной 0,1-2 мкм может быть увеличено для создания более широкого отрицательного домена и может достигать 5 прослоек для домена размером 50 мкм, однако суммарная толщина, равная до 10% размера периода структуры, всех внесенных прослоек не должна значительно нарушать условие фазового синхронизма при использовании кристалла в качестве конвертера частоты лазерного излучения и лазерной системе ее содержащей.

Существенно, что в способе компланарная зона с положительной полярностью имеет толщину 0,1-2 мкм или до 10% от периода выращенной структуры, в каждом отрицательном домене толщиной более 7 мкм.

При разращивании структуры предложенным способом появляется возможность управления периодом структуры и изменять его в некотором малом пределе на уровне девиации для расширения возможности квазисинхронного преобразования лазерного излучения с различной спектральной шириной. Особенно это важно при работе с фемтосекундными лазерными импульсами, спектр которых крайне широк по сравнению с фундаментальным излучением непрерывного лазера.

Поэтому существенно, что в способе отсутствие или наличие девиация периода доменной структуры кристалла SBO/PBO обеспечивает преобразование узкополосного и/или широкополосного лазерного излучения, соответственно, в условиях фазового квазисинхронизма.

На фиг. 4 представлена схема лазерной системы 14 с нелинейным оптическим конвертером 15 с одним фиксированным периодом Т структуры антиполярных доменов в кристалле SBO/PBO в качестве конвертера излучения лазерного источника 16 с фундаментальной частотой f - 17 для получения второй гармоники, излучения на удвоенной частотой 2f - 18; 13 - тонкие компланарные положительные зоны в отрицательных доменах.

На фиг. 5 представлена схема лазерной системы 19 с нелинейным оптическим конвертером 20 с двумя фиксированными периодами структуры антиполярных доменов кристалла SBO/PBO в качестве конвертера излучения лазерного источника 16 с фундаментальной частотой f - 17 для генерации четвертой гармоники 4f. Первый участок конвертера, до линии 21 с одним периодом упорядоченной структуры антиполярных доменов с двумя встроенными тонкими компланарными положительными зонами 14 в отрицательной домене 22 удваивает фундаментальную частоту f лазерного излучения 17, а на выходе второго участка, с другим периодом, происходит второе удвоение 2f до четвертой гармоники 4f фундаментальной частоты f лазера, причем на втором участке конвертера в отрицательном домене 23 содержится одна встроенная тонкая компланарная положительная зона 13.

Существенно, что нелинейный оптический конвертер обеспечивает условие фазового квазисинхронизма при наличии в каждом отрицательном домене домене толщиной более 7 мкм зоны с положительной полярностью толщиной 0,1-2 мкм или до 10% от периода структуры.

Также существенно, что в предложенном нелинейном оптическом конвертере кристалл SBO/PBO содержит по меньшей мере один участок с фиксированным порядком структуры антиполярных доменов для квазисинхронного преобразования лазерного излучения, причем отсутствие или наличие девиация периода структуры кристалла SBO/PBO обеспечивает преобразование узкополосного и/или широкополосного излучения, соответственно, в диапазоне прозрачности кристалла SBO/PBO.

Также существенно, что в лазерной системе конвертер обеспечивает условие фазового квазисинхронизма при наличии в каждом отрицательном домене толщиной более 7 мкм зоны с положительной полярностью толщиной 0,1-2 мкм или до 10% от периода структуры.

Также существенно, что в лазерной системе конвертер содержит по меньшей мере один участок с фиксированным порядком структуры антиполярных доменов для квазисинхронного преобразования лазерного излучения, причем отсутствие или наличие девиация периода структуры кристалла SBO/PBO обеспечивает преобразование узкополосного и/или широкополосного излучения, соответственно, в диапазоне прозрачности кристалла SBO/PBO.

В лазерной системе могут быть использованы все известные типы газовых, твердотельных, в том числе волоконных и дисковых лазеров: непрерывные, квазинепрерывные, импульсные фемто-, пико-, наносекундного диапазона длительности. Однако надо понимать, что эффективность преобразования частоты в оптическом нелинейном конвертере растет с ростом мощности излучения, что достигается в импульсном режиме значительно проще, чем в непрерывном. При разработке конвертера следует учитывать и ширину спектра источника лазерного излучения и учитывать его в девиации периода структуры на стадии проектирования конфигурации затравки.

Существенно, что в лазерной системе в качестве лазерного источника используют непрерывный или квазинепрерывный, или импульсный лазерный источник фемто-, пико-, наносекундного диапазона длительности импульса с узкополосным или широкополосным спектром излучения.

В структуре такой лазерной системы, изменение эффективной толщины отрицательного домена двойника неизбежно приводит к некоторому снижению эффективности планируемого нелинейно оптического процесса генерации. Однако, предварительная оценка такого снижения в случае использования структуры предлагаемого дизайна для процесса генерации высших гармоник с преобразованием длины волны 1,064 нм во вторую гармонику - 532 нм, при полупериоде равном толщине домена около 16 мкм, дает уменьшение мощности излучения на порядка 10%. Очевидно, что величина уменьшения эффективности не столь значительна и может быть компенсирована, например, за счет увеличения длины конвертера (общей толщины антиполярной доменной структуры) в применяемом нелинейном оптическом конвертере.

Таким образом, процедура целенаправленного введения в геометрию затравки и выращивание из нее новой упорядоченной структуры в кристалле SBO/PBO, позволяет предотвратить спонтанное двойникование отрицательных доменов в фазе разращивания компланарных плоскостей и получить кристалл с заданной упорядоченной двойниковой структурой, протяженной на 50×10×30 мм³ в направлениях <100>, <010> и <001>, соответственно (фиг. 6 и 7), и это не предел.

На фиг. 6 представлена микрофотография 24 участка среза плоскостью {001} выращенной були кристалла SBO с бездефектной двойниковой упорядоченной структурой антиполярных доменов. Структура каждого отрицательного домена содержит тонкие положительные зоны 13. Положительный домен не имеет включений, период структуры Т соответствует условиям квазисинхронного согласования для процесса генерации второй гармоники от излучения с длиной волны λ=1,063 нм. Структура выращена без дефектов и спонтанных двойников, пригодна для изготовления эффективного высококачественного нелинейного оптического конвертера и лазерной системы на его основе в диапазоне прозрачности кристалла SBO/PBO.

На фиг. 7 представлена фотография выращенной були кристалла SBO из затравки (вверху) по предложенному способу. Буля содержит компланарную, размером 50×30 мм², бездефектную двойниковую упорядоченную структуру антиполярных доменов общей толщиной 10 мм, микрофотография участка среза которых представлен на фиг. 7. Т.е., размер области с двойниковой структурой в направлении <010> такой же, как и в затравке -10 мм, в направлениях <100> и <001> эта область составляет 50×30 мм, соответственно.

Для специалистов в данной области техники должно быть очевидным, что изобретение не ограничено вариантами осуществления, представленными выше, и что в него могут быть включены изменения в пределах объема притязаний формулы изобретения. Отличительные особенности, представленные в описании совместно с другими отличительными особенностями, в случае необходимости, могут также быть использованы отдельно друг от друга.

Литература

1. Zaitsev A.I., Aleksandrovsky A.S., Vasiliev A.D., Zamkov A.V. Domain structure in strontium tetraborate single crystal // Journal of Crystal Growth. - 2008. - vol. 310. - P. 1-4.

2. Zaitsev A.I., Radionov N.V., Cherepakhin A.V., Vasiliev A.D., Zamkov A.V. Morphology of the polar twin structure in Czochralski grown α-SrB₄O₇ crystals // Journal of Crystal Growth. -2015. - V. 416. - P. 17-20.

3. Aleksandrovsky A.S., Vyunishev A.M., Shakhura I.E., Zaitsev A.I., Zamkov A.V. Random quasi-phase-matching in a nonlinear photonic crystal structure of strontium tetraborate // Physical Review A. - 2008. - V. 78. - P. 031802.

4. Trabs P., Noack F., Aleksandrovsky A.S., Zaitsev A.I., Petrov V. Generation of coherent radiation in the vacuum ultraviolet using randomly quasi-phase-matched strontium tetraborate // Optics Letters. - 2016. - V. 41 (3). - P. 618-621.

5. Aleksandrovsky A.S., Vyunishev A.M., Zaitsev A.I. Applications of random nonlinear photonic crystals based on strontium tetraborate // Crystals. - 2012. - Vol. 2. - №4. - pp. 1393 - 1409.

6. Oseledchik Yu.S., Prosvirnin A.L., Pisarevskiy A.I., Starshenko V.V., Osadchuk V.V., Belokrys S.P., Svitanko N.V., Korol A.S., Krikunov S.A., Selevich A.F. New nonlinear optic crystals: strontium and lead tetraborates // Optical Materials. - 1995. - vol. 4. - P. 669-674.

Изобретение относится к области формирования и применения нелинейных оптических двойниковых антиполярных структур в кристаллах тетабората стронция и тетрабората свинца (SBO/PBO) для эффективного квазисинхронного преобразования лазерного излучения. Для предотвращения спонтанного двойникования каждого отрицательного домена толщиной более 7 мкм используют затравку, конфигурация которой обеспечивает дополнительный рост внутри него по меньшей мере одной компланарной зоны с положительной полярностью толщиной 0,1-2 мкм. Технический результат - стабилизация роста упорядоченной двойниковой структуры SBO/PBO с антиполярными доменами толщиной 7-50 мкм, а в плоскопараллельном направлении до и более 50 мм, предотвращение спонтанного двойникования отрицательных доменов, получение высококачественного бездефектного нелинейно оптического преобразователя и эффективной лазерной системы с его использованием. 3 н. и 7 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ формирования плоскопараллельной упорядоченной двойниковой структуры антиполярных доменов в кристалле SBO/PBO путем вытягивания затравки из расплава, отличающийся тем, что для предотвращения спонтанного двойникования каждого отрицательного домена используют затравку, конфигурация которой обеспечивает дополнительный рост внутри него по меньшей мере одной компланарной зоны с положительной полярностью.

2. Способ по п. 1, в котором компланарная зона с положительной полярностью имеет толщину 0,1-2 мкм или до 10% от периода выращенной структуры, в каждом отрицательном домене толщиной более 7 мкм.

3. Способ по п. 1, в котором девиация периода доменной структуры кристалла SBO/PBO обеспечивает преобразование узкополосного и/или широкополосного лазерного излучения в условиях фазового квазисинхронизма.

4. Нелинейный оптический конвертер для преобразования лазерного излучения на основе плоскопараллельной упорядоченной двойниковой структуры антиполярных доменов в кристалле SBO/PBO, содержащий в каждом отрицательном домене по меньшей мере одну компланарную зону с положительной полярностью.

5. Нелинейный оптический конвертер по п. 4, который обеспечивает условие фазового квазисинхронизма при наличии в каждом отрицательном домене толщиной более 7 мкм зоны с положительной полярностью толщиной 0,1-2 мкм или до 10% от периода структуры.

6. Нелинейный оптический конвертер по п. 4, в котором кристалл SBO/PBO содержит по меньшей мере один участок с фиксированным порядком структуры антиполярных доменов для квазисинхронного преобразования лазерного излучения, причем девиация периода структуры кристалла SBO/PBO обеспечивает преобразование узкополосного и/или широкополосного излучения в диапазоне прозрачности кристалла SBO/PBO.

7. Лазерная система, содержащая,

- лазерный источник с генерацией узкополосного и/или широкополосного лазерного излучения;

- по меньшей мере один нелинейный оптический конвертер для квазисинхронного преобразования лазерного излучения на основе плоскопараллельной упорядоченной двойниковой структуры антиполярных доменов в кристалле SBO/PBO, причем каждый отрицательный домен содержит по меньшей мере одну компланарную зону с положительной полярностью.

8. Лазерная система по п. 7, в которой конвертер обеспечивает условие фазового квазисинхронизма при наличии в каждом отрицательном домене толщиной более 7 мкм зоны с положительной полярностью толщиной 0,1-2 мкм или до 10% от периода структуры.

9. Лазерная система по п. 7, в которой конвертер содержит по меньшей мере один участок с фиксированным порядком структуры антиполярных доменов для квазисинхронного преобразования лазерного излучения, причем девиация периода структуры кристалла SBO/PBO обеспечивает преобразование узкополосного и/или широкополосного излучения в диапазоне прозрачности кристалла SBO/PBO.

10. Лазерная система по п. 7, в которой в качестве лазерного источника используют непрерывный, или квазинепрерывный, или импульсный лазерный источник фемто-, пико-, наносекундного диапазона длительности импульса с узкополосным или широкополосным спектром излучения.