1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Неорганические материалы
  4. T. 57, № 4, 2021

Неорганические материалы, 2021, T. 57, № 4, стр. 393-397

Акустические и оптические свойства кристалла LiBi(MoO4)2

М. М. Мазур 1, А. А. Павлюк 2, А. В. Рябинин 1, *

1 ВНИИ физико-технических и радиотехнических измерений
141570 Московская обл., Менделеево, корп. 11, Россия

2 Институт неорганической химии им. А.В. Николаева СО Российской академии наук
630090 Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 3, Россия

* E-mail: ryabinin.nn@yandex.ru

Поступила в редакцию 10.11.2020
После доработки 20.11.2020
Принята к публикации 24.11.2020

Полный текст (PDF)

Аннотация

Выполнены исследования акустических и оптических свойств кристалла LiBi(MoO4)2, выращенного низкоградиентным методом Чохральского. Измерена полная матрица модулей упругости и исследовано затухание ультразвука в диапазоне частот 40–170 МГц при распространении вдоль оси Z кристалла. Измерены показатели преломления в видимом и ближнем ИК-диапазоне и по формуле Зельмейера получена их спектральная зависимость. Сделаны выводы о перспективах использования кристалла для создания АОМ.

Ключевые слова: акустооптические модуляторы, молибдат LiBi(MoO4)2, модули упругости

ВВЕДЕНИЕ

Акустооптические модуляторы (АОМ), предназначенные для управления лазерным излучением, широко используются в различных устройствах и системах: для модуляции добротности резонаторов лазеров [1], в системах передачи информации [2], в системах стабилизации частоты эталонов времени [3] и многих других. Так как для различных применений требуются АОМ с разными характеристиками, то в результате для их создания приходится использовать различные стекла и кристаллы. Наиболее широко используемым материалом для создания ячейки АОМ является парателлурит. Для ряда применений АОМ используются силикатные и халькогенидные стекла, плавленый и кристаллический кварц, KGW, германий и другие материалы. Критериями при выборе материала при создании АОМ служат их стоимость, спектральный диапазон пропускания, акустооптическая эффективность, лучевая стойкость, затухание ультразвуковой волны.

При низких уровнях интенсивности светового пучка важнейшим параметром при выборе материала является акустооптическая эффективность материала М2. Особенно важно большое значение М2 в случае использования АОМ в ИК-области, так как эффективность акустооптического взаимодействия обратно пропорционально квадрату длины волны оптического излучения. Использование халькогенидных стекол, у которых М2 на порядок больше, чем у парателлурита, обеспечивает радикальное уменьшение управляющей мощности. Однако халькогенидные стекла обладают и значительным затуханием ультразвуковой волны, что делает затруднительным их применение на частотах более нескольких десятков МГц. Для ряда применений в качестве материла ячейки АОМ привлекательным является кристалл LiBi(MoO4)2, у которого М2 существенно больше, чем у парателлурита, а затухание ультразвука меньше, чем у халькогенидного стекла As2S3 [4–7].

Целью настоящей работы является получение более полной информации об оптических и упругих свойствах кристалла LiBi(MoO4)2, достаточной для разработки АО модуляторов ИК-диапазона и работающих на ультразвуковых частотах 100–200 МГц. Исследуемый кристалл LiBi(MoO4)2 был выращен низкоградиентным методом Чохральского [8, 9].

ИССЛЕДОВАНИЕ АКУСТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

Выполнены измерения полной матрицы модулей упругости кристалла LiBi(MoO4)2 и определено затухание продольной ультразвуковой волны, распространяющейся в направлении оси Z кристалла. Полная матрица модулей упругости определялась следующим образом. Сначала измерялись скорости звука в нескольких кристаллофизических направлениях, затем обратным решением уравнений Кристофеля определялись модули упругости [10]. Скорость звуковых волн измеряли фазоимпульсным методом [11] на плоскопараллельных ориентированных образцах. Были измерены скорости звука в четырех кристаллофизических направлениях. Частоты резонансов измерялись на частотах от 50 до 90 МГЦ в диапазоне около 30 МГц для продольных волн и в диапазоне около 15 МГц для сдвиговых волн. Точность измерения скоростей около 0.1%, точность ориентировки образцов кристалла около 5'. Результаты измерений скоростей представлены в табл. 1.

Таблица 1.  

Результаты измерения скоростей

Направление [001] [110] [100] [101]
Размер, см 1.450 0.9745 1.296 0.9327
Скорости, км/с v1 = 3.455 v4 = 4.028 v7 = 4.109 v10 = 3.575
v2* v5 = 2.132 v8 = 1.978 v11 = 1.806
v3* v6 = 1.683 v9 = 1.684 v12 = 2.142

* v2 и v3 не измерялись, они равны v6 и v9 вследствие симметрии кристалла.

Симметрия кристаллов 4/m, к которой принадлежит LiBi(MoO4)2, позволяет непосредственно вычислить из измеренных скоростей звука только два тензора модулей упругости С33 = $\rho v_{1}^{2}$ и С44 = С55 = $\rho v_{{\text{6}}}^{2}$. Остальные 5 модулей находятся из решения систем квадратных и кубических уравнений. Практически для определения матрицы модулей упругости удобнее вычислять и пользоваться приведенными модулями упругости λνh = Cνh/ρ, т.к. в этом случае нет необходимости использовать плотность кристалла и уравнения менее громоздкие. Для приведенных тензоров модулей упругости λνh из уравнений Кристоффеля и измеренных значений скоростей можно записать 7 уравнений и для измеренных скоростей составить 16 комбинаций разрешаемых систем уравнений для нахождения модулей λ11, λ12, λ13, λ16, λ66. Для определения знака модуля λ16 необходимо выполнить дополнительные измерения значений скоростей в направлении между [110] и [100]. Знак модуля λ16 и значение плотности кристалла ρ = 5.66 г/см3 заимствованы из работы [12]. Значения полученных модулей представлены в табл. 2. Для сравнения там же приведены модули упругости, полученные в работе [12].

Таблица 2.  

Модули упругости кристалла LiBi(MoO4)2

νh 11 12 13 16 33 44 66
λνh 16.718 7.2316 5.133 –1.4545 11.928 2.832 4.0754
Cνh 94.62 40.93 29.05 –8.23 67.51 16.03 23.07
Cνh [12] 94.67 40.03 29.55 –9.17 67.87 15.91 23.23

Так как точность измерения скоростей в нашей работе и работе [12] одинакова, возможно, небольшое расхождения в величинах модулей упругости связано или с технологией роста кристаллов, или с погрешностями в ориентации исследуемых образцов. Различие в полученных величинах Cνh не существенно для разработки АОМ.

С использованием полученных модулей упругости были рассчитаны скорости ультразвуковых волн в трех кристаллофизических плоскостях. Результаты расчетов представлены на рис. 1. Точками на диаграммах обозначены экспериментальные значения скоростей.

Рис. 1.

Диаграммы скоростей ультразвуковых волн в трех кристаллофизических плоскостях.

Так как наибольшая акустооптическая эффективность на продольной ультразвуковой волне в кристалле LiBi(MoO4)2 реализуется при распространении звука вдоль оси Z кристалла [6], то для данного направления важно знать величину затухания звука. Для определения частотной зависимости затухания ультразвуковой волны мы измеряли изменение эффективности акустооптической дифракции при распространении ультразвуковой волны на расстояние 1 см для различных частот ультразвуковой волны в диапазоне от 40 до 170 МГц. Из полученных значений затухания ультразвуковой волны установлена следующая частотная зависимость затухания мощности ультразвуковой волны, распространяющейся в направлении оси Z:

$P\left( z \right) = {{P}_{0}} \times {{10}^{{ - \alpha z}}},\,\,\,\alpha = 0.0031{{f}^{{1.21}}},$
где P0 – мощность ультразвуковой волны при z = 0, f – частота ультразвуковой волны в МГц, z – в сантиметрах. На рис. 2 приведены результаты измерения показателя поглощения продольной ультразвуковой волны в диапазоне от 40 до 170 МГц и аппроксимация α полученных результатов степенной функцией.

Рис. 2.

Частотная зависимость поглощения продольной акустической волны, распространяющейся вдоль оси Z в кристалле LiBi(MoO4)2.

ОПТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Были выполнены исследования спектра пропускания кристалла LiBi(MoO4)2 в видимом и ближнем ИК-диапазонах и измерены его показатели преломления. Спектр пропускания измерялся на спектрофотометре Shimadsu UV 3600 plus. Исследовался неактивированный образец LiBi(MoO4)2 длиной 16.2 мм при распространении света вдоль оси Z. Результаты измерения представлены на рис. 3.

Рис. 3.

Спектральная зависимость пропускания образца кристалла LiBi(MoO4)2.

На большей части исследованного спектрального диапазона пропускание кристалла не имеет особенностей за исключением незначительных особенностей в диапазонах 550–860 и 2800–3100 нм.

Для измерения показателей преломления кристалла LiBi(MoO4)2 была изготовлена трехгранная призма с углом между двумя оптическими гранями 20°26′16″ ± 15″. Одна оптическая грань призмы перпендикулярна оси X кристалла и обе оптические грани призмы параллельны оси Z кристалла. Исследования показателей преломления кристалла LiBi(MoO4)2 в видимой области спектра были выполнены при помощи гониометра ГС-5 на 5 спектральных линиях. Показатели преломления на длинах волн 1064 и 1150 нм получены путем измерения отклонения призмой LiBi(MoO4)2 лазерного пучка. Результаты измерений представлены в табл. 3. Точность измерения показателей преломления на гониометре в видимом диапазоне ±0.0005 и в ИК-диапазоне на длинах волн 1.064 и 1.15 мкм – ±0.005.

Таблица 3.  

Результаты измерения показателя преломления для различных длин волн

λ, нм 532 546.1 588.19 611 632.8 1064 1150
ne 2.302 2.294 2.273 2.262 2.255 2.192 2.193
no 2.438 2.425 2.395 2.380 2.368 2.282 2.275

На основании полученных результатов методом наименьших квадратов по формуле Зельмейера найдены спектральные зависимости ne(λ) и no(λ):

${{n}_{e}}\left( \lambda \right) = \sqrt {1 + \frac{{3.688{{\lambda }^{2}}}}{{\left( {{{\lambda }^{2}} - {{{199.65}}^{2}}} \right)}}} ,$
${{n}_{o}}\left( \lambda \right) = \sqrt {1 + \frac{{3.998{{\lambda }^{2}}}}{{\left( {{{\lambda }^{2}} - {\text{\;}}{{{232.21}}^{2}}} \right)}}} $

(длина световой волны в нанометрах).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Приведены данные о акустических свойствах кристалла LiBi(MoO4)2, выращенного методом Чохральского в условиях низких градиентов температур. Получены полная матрица модулей упругости и частотная зависимости поглощения продольной ультразвуковой волны, распространяющейся вдоль оси Z кристалла.

Исследованы спектры пропускания кристалла LiBi(MoO4)2 в видимом и ближнем ИК диапазонах.

Измерены коэффициенты преломления кристалла и рассчитаны коэффициенты формулы Зельмейера для показателей преломления.

Полученные результаты о поглощении звуковой волны в диапазоне частот до 170 МГц, а также значения М2 = 70 для акустической волны, распространяющейся вдоль оси Z [6], позволяют утверждать, что на основе кристалла LiBi(MoO4)2 могут быть изготовлены высокоэффективные АОМ, работающие на ультразвуковых частотах до нескольких сотен МГц (как минимум до 200 МГц).

Список литературы

  1. Тарасов Л.В. Физика процессов в генераторах когерентного оптического излучения. М.: Радио и связь, 1981. 440 с.

  2. Антонов С.Н. Акустооптическая коммуникация волоконно-оптических каналов // ЖТФ. 2019. Т. 89. Вып. 2. С. 274–279.

  3. Бердасов О.И., Хабарова К.Ю., Стрелкин С.А., Белотелов Г.С., Костин А.С., Грибов А.Ю., Пальчиков В.Г., Колачевский Н.Н., Слюсарев С.Н. Оптические стандарты частоты на холодных атомах стронция // Альманах современной метрологии. 2014. № 1. С. 13–36.

  4. Балакший В.И., Парыгин В.Н., Чирков Л.Е. Физические основы акустооптики. М.: Радио и связь, 1985. 280 с.

  5. Акимов С.В., Дудник Е.Ф., Столпакова Т.М., Довченко Г.В. Акустоптические характеристики LiBi(MoO4)2 // Физика твердого тела. 1978. Т. 20. Вып. 3. С. 944–945.

  6. Цыдыпова Б.М., Мазур М.М., Павлюк А.А. Акусто-оптические свойства монокристаллов LiBi(MoO4)2, выращенных при низких значениях градиентов температуры // Неорган. материалы. 2012. Т. 48. № 9. С. 1058–1061.

  7. Лавров Е.А., Мазур М.М., Ширяев В.С., Сопаткин Г.Е. Исследование затухания ультразвука в халькогенидном стекле As2S3 // Сб. науч. Тр. VII междунар. конф. по фотонике и информационной оптике. Москва: НИЯУ МИФИ, 2018. С. 91–92.

  8. Pavlyuk A.A., Vasiliev Ya.V., Kharchenko L.Yu., Kuznetsov F.A. Low Thermal Gradient Technique and Method for Large Oxide Crystals Growth from Melt and Flux // Proc. APSAM_92. Japan, 1993. P. 164–171.

  9. Цыдыпова Б.Н., Павлюк А.А. Выращивание кристаллов литий-висмутового молибдата LiBi(MoO4)2 в условиях низких градиентов температуры // Вестн. Бурятского гос. ун-та. 2012. № 3. С. 6–12.

  10. Беликов Б.П., Александров К.С., Рыжова Т.В. Упругие свойства породообразующих минералов и горных пород. М.: Наука, 1970.

  11. Труэлл Р., Эльбаум Ч., Чик Б. Ультразвуковые методы в физике твердого тела. М.: Мир, 1972

  12. Александров К.С., Бурков С.И., Замков А.В., Холов А., Хафизов С.Х., Шабанова Л.А., Клевцов П.В. Акустооптические и упругие свойства кристаллов NaBi(WO4)2 и LiBi(MoO4)2 // Физика твердого тела. 1988. Т. 30. Вып. 2. С. 609–612.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Неорганические материалы

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал