Кристаллы квантовой и нелинейной оптики - Блистанов А.А.
ISBN 5-87623-065--0
Скачать (прямая ссылка):
40
двойники, особенности макродефектов, возникающие из-за морфологических различий кристаллов). Решение вопроса о том, что превалирует - различие или сходство, определяет и способ описания тех или иных дефектов: рассматривать ли каждый кристалл с присущими ему дефектами отдельно или рассматривать данный тип дефектов на примерах тех или иных кристаллов, отмечая особенности их поведения в других кристаллах.
Следует учесть, что дефекты структуры в рубине и сапфире подробно рассмотрены в литературе [3]. Это освобождает от необходимости подробно рассматривать дефекты структуры рубина, в частности их особенности, связанные с получением кристаллов рубина методом Вернейля. Дефекты в ИАГ (особенно то, что относится к включениям, концентрационной неоднородности), дефекты в кристаллах, полученных методом направленной кристаллизации, достаточно полно описаны в работах А.А.Каминского и
В.В.Осико [17], Х.С.Багдасарова [18] и обзорах [8]. Это позволяет ограничиться кратким описанием большинства дефектов, обращая внимание на особенности проявления данного типа дефектов в различных кристаллах. В основном будут рассматриваться кристаллы, выращенные методом Чохральского, получившим наибольшее распространение при выращивании кристаллов ИАГ и ИАП для квантовой электроники.
Макронеоднородность кристаллов
Под макронеоднородностью следует понимать неоднородность свойств кристалла, вызванную неоднородным распределением микродефектов. Макронеоднородность проявляется прежде всего как неоднородность показателей преломления и коэффициента поглощения кристалла. В лазерных кристаллах, содержащих значительное количество примеси активатора, следует прежде всего рассматривать неоднородность распределения примеси и неоднородность, вызванную отклонением от стехиометрии.
В рубине, выращенном методом Вернейля, основной является осевая макронеоднородность, появляющаяся в результате неравномерной подачи примеси с шихтой. Такая концентрационная неоднородность визуально проявляется как полосчатость окраски стержней рубина.
При выращивании методом Чохральского типичной неоднородностью является ростовая полосчатость, возникающая из-за вращения кристалла в неоднородном температурном поле или из-за колебаний параметров, характеризующих процесс роста кристалла. Ростовая полосчатость создает осевую неоднородность, которая не слишком «опасна» для лазерных элементов, так как не приводит к
41
искажению фронта волны генерируемого излучения, т.е. не создает концентрационной линзы. Ростовую полосчатость можно подавлять, усиливая перемешивание или уменьшая температурный градиент, что не всегда возможно. Например, снижение градиента температуры нежелательно при выращивании ИАГ, так как это способствует развитию так называемого «объемного дефекта» [48 - 50]. Ускорение перемешивания при сохранении скорости вращения можно получить, увеличивая относительный объем тигля, применяя тигли с отношением диаметра к высоте больше единицы (3 или 2), что не всегда возможно.
Основной формой макронеоднородности в ИАГ, выращенных методом Чохральского, является «объемный дефект» (проявление так называемого гранного роста). Этот дефект проявляется как оптическая неоднородность при взгляде вдоль оси роста, имеющая вид 4-, 3-и 2-лепестковой розетки («фасетки») в зависимости от того, какая ось симметрии (4-, 3- или 2-го порядка) совпадает с направлением роста кристалла. Неоднородность этого типа проявляется и в поглощении света, и в неоднородности термолюминесценции. Очевидная связь объемного дефекта с симметрией кристалла указывает на его связь с гранным ростом кристалла. Действительно, при отрыве кристалла ИАГ от расплава можно видеть на фронте кристаллизации участки плоских граней {110}.
Грани ромбододекаэдра - {110} и тетрагонтриоктаэдра {112 } являются простыми формами точечной группы шЗш и образуют наиболее распространенные формы кристаллов гранатов. Поэтому, когда при выращивании из расплава методом Чохральского ориентация поверхности фронта кристаллизации оказывается близкой к граням этих простых форм, кристалл в этой части фронта кристаллизации ограняется гранями соответствующей простой формы (рис. 2.10). Для зарождения граней
{112 } в ИАГ требуется меньшее переохлаждение, чем для
граней {110}, поэтому {112} является предпочтительной формой роста. На ограненном участке растущего кристалла механизм роста соот-
[0011
Рис. 2.10. Сеченне фронта кристаллизации граната плоскостями одной из простых форм {112}
42
ветствует развитию плоской грани (F-грани), а на неограненных рост идет по механизму шероховатой грани (К-грани). При шероховатом росте примесь входит более равномерно. При росте /¦'-грани примесь активнее оттесняется на периферию граней. В результате изменения механизма вхождения примеси меняются коэффициент распределения примеси, параметр решетки, кристалл растет механически напряженным [48]. В ИАГ в области фасеток отмечалось увеличение концентрации примеси неодима и концентрации вакансий кислорода [49, 50]. Как следствие этого, в области центрального дефекта резко ухудшаются генерационные характеристики кристалла. Эти области кристалла оказываются практически непригодными для генерации света и удаляются при раскрое були. Попытки полностью устранить объемный дефект при росте ИАГ успеха не принесли [50]. Однако можно дать некоторые рекомендации по локализации центрального дефекта. Замечено, что центральный дефект становится меньше, а область вблизи него оказывается менее напряженной при выращивании кристалла вдоль направления <111 >. Локализации гранного роста должен способствовать «уход» положения фронта кристаллизации от положения граней {112}. Как следует из рис. 2.10, приближение фронта кристаллизации к плоской форме («уход» фронта кристаллизации от положения плоскостей {112} и {110}) должно затруднять образование центрального дефекта. Следовательно, уменьшению центрального дефекта способствует увеличение скорости вращения кристалла (для ИАГ до 150 об/мин вместо обычных 30-50 об/мин).
