Кристаллография, 2022, T. 67, № 2, стр. 295-298

ВВЕДЕНИЕ

Ниобат лития (LiNbO₃) представляет собой одноосный нелинейно-оптический сегнетоэлектрический кристалл, который является потенциальным материалом для применения в нелинейной оптике [1–3]. Высокие нелинейные оптические, пироэлектрические, пьезоэлектрические, акустооптические и электрооптические коэффициенты ниобата лития позволяют использовать его для таких приборов, как оптические переключатели, преобразователи акустических волн и фильтры в мобильных телефонах, контроллерах движения, оптических модуляторах и преобразователях длины волны внутри телекоммуникационных систем [4, 5]. Несмотря на широкое применение в фотонике, многие свойства ниобата лития еще не изучены. Динамика решетки LiNbO₃ является объектом многочисленных исследований с использованием спектроскопии комбинационного рассеяния (КР) света [6–8]. В этом кристалле обнаруживается интенсивное КР на полярных модах кристаллической решетки. В спектрах КР ниобата лития обнаруживаются комбинационные спутники, соответствующие рассеянию на поперечных (TO) и продольных (LO) полярных модах с возбуждением TO- и LO-фононов [9–11]. Ниобат лития характеризуется большой спонтанной поляризацией (P_s = 5 × 10^–5 Кл/см² [1]). Этот кристалл изоструктурен танталату лития и кристаллизуется в пр. гр. R3c ($С_{{3V}}^{6}$) ниже температуры Кюри (∼1500 K) [4]. Отсутствие центра инверсии в точечной группе симметрии ($С_{{3V}}^{6}$), а также высокие значения нелинейно-оптических коэффициентов позволяют использовать кристаллы ниобата лития для генерации оптических гармоник.

В последнее время ниобат лития интенсивно изучался методом спектроскопии спонтанного КР света [12–14]. При этом была получена информация только о фундаментальных оптических модах, соответствующая спектру КР первого порядка. В настоящей работе поставлена задача сравнения спектров КР первого порядка легированных тербием (содержание Tb – 2.21%) монокристаллов ниобата лития со спектрами КР второго порядка, соответствующими области обертонов в диапазоне 50–2500 см^–1.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

На рис. 1 представлена схема экспериментальной установки для регистрации спектров КР. Источником излучения служил лазер (1) с длиной волны λ = 785 нм и средней мощностью 200 мВт. Излучение лазера вводилось в световод (2) и зонд (4). Линза (8) применялась для фокусировки излучения на образце (6), представляющем собой ориентированный легированный тербием (2.21% Tb) монокристалл ниобата лития. Сигнал КР, возникающий в образце, попадал на второй световод (3) и фильтровался в рефокусаторе (12) с помощью фотонного кристалла (11), отражающего возбуждающее излучение (785 нм) и пропускающего излучение КР. Далее сигнал КР попадал на вход миниспектрометра (13) с многоэлементным приемником. В качестве устройства цифровой обработки и накопления спектров КР использовался компьютер (14). Спектральное разрешение при записи спектров КР составляло 1 см^–1. Используемый волоконно-оптический метод регистрации спектров КР позволил регистрировать данные спектры КР при разных геометриях съемки с небольшими экспозициями (10–100 с) в широком спектральном диапазоне.

Рис. 1.

Схема установки с использованием волоконно-оптического возбуждения спектров КР: 1 – лазер; 2, 3 – световоды; 4 – зонд; 5 – корпус; 6 – образец (легированный тербием (2.21% Tb) монокристалл ниобата лития); 7 – подложка; 8, 9, 10 – линзы; 11 – фотонный кристалл; 12 – рефокусатор; 13 – миниспектрометр; 14 – компьютер.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 2 показаны спектры КР легированных тербием (2.21% Tb) монокристаллов ниобата лития, зарегистрированные при 180°-ной геометрии рассеяния (рассеяние “назад”), соответствующей установкам $Z(XX;YY;XY)\bar {Z}$ (рис. 2а, 2в) и $X(ZZ;ZY)\bar {X}$ (рис. 2б, 2г). В полученных спектрах КР, согласно правилам отбора, проявляются поперечные (TO) и продольные (LO) полярные колебания A₁- и E-типов. Таким образом, при использовании 180°-ной геометрии рассеяния (рассеяние “назад”) возбуждаются А₁- и Е-типы фундаментальных полярных мод – полярные возбуждения. Как видно из рис. 2, спектры КР монокристаллов ниобата лития состоят из большого числа узких полос. При геометрии рассеяния $Z(XX;YY;XY)\bar {Z}$ (рис. 2а) возбуждаются продольные оптические фононы типа А₁ (LО). Также обнаружилось, что в исследованных спектрах присутствуют интенсивные обертонные полосы в спектральном диапазоне 1300−1950 см^–1 (рис. 2в, 2г). Как правило, обертонные и составные полосы в спектрах КР, классифицируемые как процессы КР второго порядка, характеризуются чрезвычайно малой интенсивностью (на 2–3 порядка слабее интенсивности линий КР первого порядка [15–17]). В данном случае оказалось, что при геометрии рассеяния “назад” в спектре КР второго порядка проявляются линии, интенсивность которых сравнима с интенсивностью линий КР первого порядка (рис. 2в). При этом обнаруживаются резкие пики, близкие по частоте к обертонным переходам из центра зоны Бриллюэна. Возрастание интенсивности КР для обертонов в данном случае можно объяснить формированием связанных состояний поперечных и продольных полярных возбуждений кристаллической решетки ниобата лития. В случае геометрии рассеяния $X(ZZ;ZY)\bar {X}$ в спектре КР (рис. 2б, 2г) проявляются фундаментальные полосы типа Е, а также интенсивные резкие обертонные линии, соответствующие спектру КР второго порядка.

Рис. 2.

Вид спектров КР легированных тербием (2.21% Tb) монокристаллов ниобата лития при 180°-ной геометрии рассеяния с использованием волоконно-оптического возбуждения (рис. 1) (a, в – геометрия $Z(XX;YY;XY)\bar {Z}$, б, г – геометрия $X(ZZ;ZY)\bar {X}$): a, б – области первого порядка 50–1000 см^–1; в, г – области второго порядка 1000–2000 см^–1 (кривые 1) в сравнении с плотностью двухфононных состояний [6] (кривые 2).

Анализ дисперсионных кривых и плотности фононных состояний в кристаллах ниобата лития проведен в [6]. При этом были рассчитаны частоты фононов, соответствующие критическим точкам зоны Бриллюэна. На рис. 2в и 2г приведено сопоставление спектров КР второго порядка легированных тербием монокристаллов ниобата лития в области обертонных переходов с плотностью двухфононных состояний, рассчитанной в соответствии с [6]. Как видно из этих рисунков, значения частот полос в спектрах КР второго порядка не совпадают с точными значениями обертонных частот фононов критических точек, а попадают в запрещенную зону между дисперсионными ветвями акустических и оптических фононов. Таким образом, под действием интенсивного лазерного излучения на первом этапе происходит возбуждение оптических мод вблизи центра зоны Бриллюэна. При рассеянии “назад” волновые векторы оптических возбуждений сравнимы с волновыми векторами лазерного излучения: k ∼ 10⁵ cм^–1. В результате рассеяния на неоднородностях, связанных с присутствием ионов тербия, внутри монокристалла происходит возбуждение состояний, соответствующих взаимно противоположным направлениям волновых векторов: k₁ = –k₂. Такой процесс можно интерпретировать как образование связанных состояний полярных возбуждений с противоположными направлениями волновых векторов. В связи с этим в спектре КР обнаруживаются интенсивные резкие пики биполярных возбуждений в области обертонных частот фундаментальных полярных мод – полярных возбуждений (рис. 2в, 2г).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представлены результаты исследований спектров КР первого и второго порядков в легированных тербием монокристаллах ниобата лития. При использовании 180°-ной геометрии рассеяния (рассеяние “назад”) обнаружено, что в спектре КР второго порядка проявляются линии, интенсивность которых сравнима с интенсивностью линий КР первого порядка. Наблюдаемые резкие интенсивные линии спектра КР второго порядка соответствуют обертонным переходам из центра зоны Бриллюэна. При этом в кристалле проявляются связанные состояния полярных мод – биполярные возбуждения, волновой вектор которых находится вблизи центра зоны Бриллюэна. Образовавшиеся связанные состояния имеют квазиимпульс, близкий к нулю (k ∼ 0), и обнаруживаются в спектре КР в виде резких интенсивных пиков.

Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 20-32-90084).