Кристаллы квантовой и нелинейной оптики - Блистанов А.А.
ISBN 5-87623-065--0
Скачать (прямая ссылка):
МО Ж 250 Г, к
261
Глава 10 КРИСТАЛЛЫ ГРУППЫ KDP (КН2Р04)
10.1. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА КРИСТАЛЛОВ ГРУППЫ KDP
Кристаллы дигидрофосфатов щелочных ионов (КН2РО4, RbFhPCb и др.) или аммония (NH4H2PO4) являются одними из наиболее важных, используемых в нелинейной оптике. Применение кристаллов для создания электрооптических элементов и для удвоителей частоты, несмотря на их относительно невысокую оптическую нелинейность, определяется двумя основными факторами: 1) эти кристаллы обладают высокой лучевой стойкостью к воздействию лазерных импульсов с высокой плотностью мощности; 2) кристаллы группы K.DP могут быть получены больших размеров (масса кристалла может достигать десятков килограмм) и высокого оптического качества.
Кристалл KDP был использован в качестве нелинейной среды одним из первых, так что величина его нелинейных характеристик до сих пор является эталоном, и часто нелинейные коэффициенты других кристаллов даются в единицах, относительно KDP. Основными недостатками кристаллов группы KDP являются их непрозрачность в ИК области спектра, так как они содержат протоны, и относительно низкие показатели преломления (п = 1,5... 1,55), что определяет их низкие нелинейные характеристики. В табл. 10.1 приведены некоторые свойства кристаллов группы KDP, важные для их применения в электрооптике и нелинейной оптике.
Величина эффективного коэффициента нелинейности для кристаллов симметрии 4 2т при угле синхронизма Ос рассчитывается как */эфф = i/36sin9sin2cp (ср - угол между проекцией волновых векторов на плоскость (001) и осью у(2).
Таблица 10.1. Свойства кристаллов группы KDP
Свойство KDP DKDP (99 % D) ADP
Ne(X = 1,06 мкм) 1,4630 1,4555 1,4683
No (А. = 1,06 мкм) 1,4985 1,4928 1,5131
Лб-10~га, м/в 0,43 0,402 0,558
Афф для (оое) X = 1,06 мкм 0,27 0,22 -
Область прозрачности, мкм 0,2- 1,4 0,2- 1,4 1,84-1,5
Предельная длина волны для ГВГ1, нм 487 - -
/¦АТ, °Ссм 11,54 13,2 2,7
1 ДО, град см 2,73 5,29 1,5
/ ДХ, нм-см 7,25 5,57 31
Угол синхронизма (оое) вс, град 9,4 8,3 -
1 ГВГ - генерация второй гармоники
262
10.2. СТРУКТУРА И МЕТОДЫ ВЫРАЩИВАНИЯ КРИСТАЛЛОВ
Внешняя форма кристаллов образована тетрагональной призмой и тетрагональной дипирамидой (рис. 10.1). Структура кристаллов группы KDP имеет пространственную группу симметрии 14 2d и точечную группу 4 2т. При Т < 123 К в кристалле KDP происходит полиморфное превращение - кристалл переходит в сегнетофазу ромбической симметрии с точечной группой шш2. Ион фосфора в структуре K.DP окружен четырьмя ионами кислорода (рис. 10.2), расположенными в вершинах почти правильного тетраэдра. Группы РО4 связаны друг с другом водородными связями. Длина водородной связи 0,248 нм. Ионы калия отстоят от тетраэдров РОЗ" по направлению оси г на расстояние с/2 (рис. 10.3). В парафазе протоны не упорядочены. Упорядочение протонов происходит при переходе в сегнетофазу так, что все протоны находятся около атомов кислорода тетраэдров РО4-. Вблизи каждой группы расположены два протона, поэтому такие группы можно рассматривать, как ионы Н2РО4. Каждый атом калия окружен восемью ионами кислорода так, что четыре из них расположены к калию ближе, чем четыре других. Протоны смещены на расстояние 0,021 нм относительно центра водородной связи в направлении одного из ионов кислорода. Упорядочение протонов сопровождается увеличением длины водородной связи до 0,251 нм и значительным смещением ионов фосфора и калия, что и определяет спонтанную поляризацию. Направление спонтанной поляризации совпадает с направлением смещения ионов фосфора (показано стрелкой на рис. 10.2.) и противоположно смещению ионов калия. Сам протон не дает вклада в спонтанную поляризацию, так как он движется вдоль оси водородной связи, которая практически перпендикулярна к сегнетоэлекгрической оси с. Фазовый переход из пара- в сегнетофазу является переходом I рода и происходит в узком интервале температур (» 2 К).
Первые работы по выращиванию кристаллов КН2РО4 (KDP) и NH4H2PO4 (ADP) относятся к 40-м годам [1]. Кристаллы KDP и ADP выращиваются [2] из водных растворов. В качестве затравок используются пластины (001) или (011). Каждой ориентировке соответствует своя зона регенерации (дефектная область кристалла, примыкающая к затравке). При выращивании на пластинах (001) зона регенерации образуется до «восстановления» граней {110}. Когда этот процесс заканчивается и над затравкой вырастает призма, ограненная гранями {110}, то под этими гранями фиксируется сильно дефектная область зоны регенерации (поры, включения материнского раствора, трещины и т.д.), а над гранями {110} начинает расти совершенный кри-
263
pttenepaquu ЗатрвЛеа (ЮО) (100}
Рис. 10.1. Форма кристаллов KDP: Рис. 10.2. Тетраэдр РО4 - элемент
а - без выклинивания; б -с выклиниванием структуры KDP
Рис. 10.3. Структура кристаллов KDP
стали. Возникновение зоны регенерации полезно потому, что препятствует наследованию дефектов из затравки. Совершенство нарастающих над зоной регенерации слоев оказывается независящим от совершенства затравки. В частности, через зону регенерации не проходят дислокации, которые могут возникать в пластинах затравки при их обработке. Возникновение новых дислокаций в кристалле наблюдается лишь у вершин и ребер пирамиды {110}, т.е. в местах пересечения плоскостей {110} и в центрах граней {110}. Для экономии раствора, идущего на кристаллизацию зоны регенерации, в качестве затравок можно использовать не пластины, а пирамидальные вер-264
