Диссертация (1091554), страница 13

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 13)

Наличие подобноговолноводного слоя позволяет ограничить область пространства, в которойпроисходитраспространениеоптическогоизлучения.Кромеэтоговолноводный слой является препятствием для роста доменных структур, чтосвязано с наличием дефектов на его границе.С помощью электронно-лучевой микроскопии было осуществленолокальное облучение поверхности кристалла.

Такое локальное облучениеприводит к сегнетоэлектрическому переключению поляризации в структуре росту доменов вдоль полярной оси Z. При варьировании положения точекоблучения на поверхности образца и изменении параметров электронногопучка возможно создание целого набора различных структур, например,периодических решеток.

Таким образом можно точно задавать такиепараметры доменов как глубина, ширина, длина, положение в пространстве ит.д.95В исследуемой структуре глубина «прорастания» доменов не превышала4 мкм. При этом максимальная толщина доменов в объёме LiNbO3 достигаласьтолько в местах экспонирования сфокусированным электронным лучом. Ростдоменов вдоль полярной оси Z должн сопровождаться равномернымуменьшением толщины домена [163].

Создание упорядоченных доменныхрешеток выполнялось при последовательном облучении локальной областиповерхности кристалла электронным пучком с заданными параметрами. Приоблучении домен формировался вдоль лёгкой оси кристалла Z. Далее нафиксированном расстоянии выбирался новый локальный участок наповерхности и формировался новый домен.

Принципиальная схема ростадоменов приведена на рисунке 28.Схема упорядоченных доменных структур, полученныхпри помощи облучения поверхности Y-среза монодоменного кристаллаэлектронным пучком.96Можно выделить несколько параметров электронного пучка, влияющихна процесс создания доменных структур: ускоряющее напряжение U , силатока I и доза облучения, которая определяется как:D  Q / Sirr  ( I  tirr ) / Sirr(24)где tirr и Sirr - время и площадь облучения локальной области, соответственно.В исследуемых образцах доменных решеток НЛ значение доз варьировалось впределах 2000  5000 А  с / мкм2 , а ускоряющее напряжение составляло5  25кВ . Площадь электронного пучка была всегда постоянна и равняласьSirr  0,5 мкм 2 , период доменной структуры составлял 4мкм .4.2. Экспериментальные исследования доменных структур ниобаталития методом нелинейно-оптической конфокальной микроскопииДля исследования параметров доменных структур была использованаметодика нелинейно-оптической конфокальной микроскопии.

Принципыэкспериментальной методики, использованной в данной работе, основаны наклассическом подходе, разработанном Уесу [164,165].Дело в том, что домены, прорастающие в кристалле, имеютпротивоположное направление диэлектрической поляризации по сравнению собъемом кристалла. Показатели преломления таких доменов не различаются,и поэтому они неразличимы в обычной (линейной) микроскопии, даже приусловии использования поляризационных методик.

На длине волны второйгармоники ситуация другая. Нелинейные восприимчивости противоположнонаправленных доменов имеют противоположные знаки, то есть волны надлине волны второй гармоники, генерируемой соседними доменами, подходятк приемнику в противофазе. Однако в силу того, что приемник регистрируетинтенсивность, величина которой пропорциональна квадрату поляризации,такие домены также являются неразличимыми при простой регистрации97интенсивности. Подход Уесу заключался в возможности визуализации такихдоменовзасчетявленияинтерференции.Посколькудоменыпротивоположного знака проросли на фиксированной глубине, и под ниминаходится кристалл с основной ориентацией поляризации, поля второйгармоники от основного кристалла и домена, лежащего сверху, имеют разнуюфазу (с учетом фактора распространения эти фазы не противоположны, апроизвольны).

Таким образом, суммарно, волны второй гармоники отсоседних областей также имеют разную фазу, распределение которойобеспечивает визуализацию. Схематически этот принцип изображен нарисунке 29. Основные принципы нелинейно-оптической микроскопииприведены в главе 2.Схематическоеизображениеинтерференционногопринципа, обеспечивающего визуализацию на частоте второй гармоники180-градусных доменов [165].В ходе работы с помощью нелинейно-оптической сканирующейконфокальноймикроскопии(описаниеэкспериментальнойустановкиприведено в разделе 2.5) были исследованы доменные структуры, полученныепри различных параметрах облучения электронным пучком, представленныхв разделе 4.1. Направление поляризации лазерного излучения при этом98выбиралось перпендикулярным доменным структурам.

Так, на рисунке 30показаны результаты, полученные с помощью нелинейно-оптическоймикроскопии. Первая строка соответствует ускоряющему напряжению вU  5кВ , вторая - U  10кВ , третья - U  15кВ , четвертая - U  25кВ . Столбцыизображения отвечают за параметры дозы облучпения: первый столбец D  2000 А  с / мкм2 ,второй-D  3000 А  с / мкм2 ,третий-D  4000 А  с / мкм2 , четвертый - D  5000 А  с / мкм2 .Основными параметрами для оценки качеств исследуемых доменовоптическим методом являются распределение мощности ВГ (домены должныбыть без существенных искажений по всей своей длине), длина (должна бытьне менее 100мкм) и отсутствие взаимного перекрытия доменов.При помощи методики конфокальной сканирующей нелинейнооптическоймикроскопиидоменныеструктурывполярномНЛвизуализируются как протяженные чередующиеся светло-темные полосы.Локальное облучение электронным пучком осуществлялось в крайнем левомрегионе изображений.

Рост доменов происходил на право от места облучениявдоль полярной оси Z (на изображении на право).99Распределение сигнала ВГ на поверхности доменныхструктур LiNbO3, созданных при различных ускоряющих напряженияхU и дозах облучения D . Первая строка соответствует ускоряющемунапряжению в U  5кВ , вторая - U  10кВ , третья - U  15кВ , четвертая- U  25кВ . Столбцы изображения отвечают за значение дозы: первыйстолбец - D  2000 А  с / мкм2 , второй - D  3000 А  с / мкм2 , третий D  4000 А  с / мкм2 , четвертый - D  5000 А  с / мкм2 .100Как видно из рисунка 30 образцы, полученные с ускоряющемнапряжением в U  5кВ обладают очень малой длиной (около 30мкм) внезависимости от доз облучения.

Также существует вероятность, что в глубинудомены не достигают волноводного слоя. При увеличении ускоряющегонапряжения до U  10кВ длина доменов существенно больше и зависит от дозоблучения: так при дозах D  2000 А  с / мкм2средняя длина доменасоставляет 70мкм, а при D  5000 А  с / мкм2 - 120мкм. При этом видно, чтопри одинаковых условиях экспонирования длина доменов различна, чтосвязано со структурной неоднородностью кристалла.

Однако отношениедлины доменов к разбросу по длине еще остаётся существенным. Призначении U  15кВдлина доменов может достигать 200мкм. Средипредставленных структур наиболее однородными являются структуры,полученные при дозах облучения D  4000 А  с / мкм2 . При дальнейшемповышении ускоряющего напряжения происходит слияние отдельныхдоменов воедино, что нарушает периодическую структуру решетки.Из представленного анализа можно сделать вывод, что оптимальнымиусловиями для роста доменных упорядоченных решеток в исследуемомкристалле НЛ являются ускоряющее напряжениеU  15кВи дозаD  4000 А  с / мкм2 .Отдельно стоит отметить периодичность сигнала ВГ вдоль каждого издоменов.

Данный эффект связан с уменьшением толщины домена вдольполярной оси Z. Рассмотрим отдельно изображение доменной структуры,полученной при оптимальных параметрах роста (рисунок 31). Зеленымпрямоугольникомотмеченоместолокальногооблученияструктурыэлектронным пучком. Сечения вдоль отдельных доменов (выделены цифрами)представлены на рисунке 32. Период интенсивности ВГ вдоль доменов вданном образце мог варьироваться от 4 до 15 мкм.101Распределение сигнала ВГ на поверхности доменныхструктурLiNbO3полученноеметодомнелинейно-оптическойконфокальной микроскопии. Зеленым прямоугольником отмечены месталокального облучения структуры электронным пучком. Цифрамиуказаны исследуемые домены.Сечение доменных структур, приведенных на рисунке 31.102Описание данного эффекта с помощью теоретической моделипредставлено в разделе 4.3.Для оценки нелинейной восприимчивости доменных структур вкачестве эталонного материала был выбран кварц.

Его нелинейнаявосприимчивость равняется  ref  1пм / В . Площади, на которых происходилооблучение образца были одинаковы ( A  Aref ) но при этом были различныинтенсивности падающего излучения. Также по порядку величины равны идлины когерентности, а затуханиями волн на длине когерентности можнопренебречь. Таким образом для доменных структур оценка значениянелинейной восприимчивости дает   1400пм / В .4.3. Моделирование мощности генерации второй оптической гармоникив доменных структурах ниобата литияТеоретическоемоделированиенелинейно-оптическихпроцессовпроходящих в объёме нелинейно-оптических материалов и их сравнение сэкспериментальными результатами выполнялись и ранее [166,167]. Однако вданных работах не учитывалось наличие периодической доменной структурыс переменной толщиной доменов.В основе теоретической оценки интенсивности генерации второйоптической гармоники в объеме доменных структур использовалась модельБойда [168].

Согласно этой модели, генерация ВГ будет происходить тольконаграницахнелинейно-оптическогоматериала,авобъёмебудетотсутствовать. Предполагается, что этот эффект вызван скачком фазыизлучения накачки при прохождении через точку фокуса (сдвиг фазы Гойи)[169].На интенсивность распределения сигнала ВГ оказывают также влияниеинтерференционныеэффектыдвухтипов.Вкладмноголучевой103интерференции полей электромагнитных волн накачки и ВГ, отраженных отпередней и задней поверхностей кристалла, незначителен из-за жёсткойфокусировки лазерного излучения при достаточно толстом кристалле. Однакоприсутствует интерференция второго типа, «принципиально» нелинейнооптическая. Речь идет о так называемой «интерференции поляризаций» [127],то есть в случае микродоменного ниобата лития об интерференции вкладов внелинейную поляризацию, возникающих в областях кристалла (доменах),имеющих противоположные знаки.Для количественного анализа процесса генерации ВГ в доменнойструктуре ниобата лития в уравнение (4) подставим выражения длянапряженности электрического поля и квадратичной нелинейной поляризациив следующем виде:E2 (r , t )  A2 (r )ei ( k2 z 2t )  C(25)P2 (r , t )  p2 (r )ei ( k2 z 2t )  C'В выражении (25) комплексные амплитудыA2 иp2 являютсяпространственно-зависимыми, что позволяет учитывать волны сложнойформы, что важно для учета фокусировки.

Также учитывается возможностьразличия волновых векторов волн ВГ k2 и k 2' , что позволяет описать волновоерассогласование. Значения волновых векторов k2 и k 2' в общем случае могутбыть различными и зависеть от координат.Перейдявцилиндрическуюсистемукоординатииспользуяприближение медленно меняющихся амплитуд, получим:2ik2A22 T2 A2   2 2 p2eikz ,z0 c(26)где k  k2'  k2 . Данное выражение принято называть параксиальнымволновым выражением [169].104Для описания распределения интенсивности полей в пространственеобходимо ввести Гауссову функцию [170]. В краткой форме её удобнозаписать как:A(r , z ) A1  iz / z Re r2/ w02 (1i z / z R ),(27)где w0 - радиус перетяжки лазерного излучения, zR - длина Рэлея.Радиус перетяжки лазерного излучения для высоко-апертурныхиммерсионных объективов оценивается по следующей формуле:w0 1.224n0 n0 / NA21,(28)где  - длина волны, n0 - показатель преломления иммерсионного масла, NA- числовая апертура объектива.Для расчёта полной мощности гауссова пучка необходимо вычислитьинтеграл поперечного распределения интенсивности Ρ =  I 2 rdr .

Характеристики

Список файлов диссертации