Исследование взаимосвязи тонких особенностей дефектной структуры и физических свойств кристаллов ниобата лития различного химического состава

Рентгенографическими методами была определена дефектная структура кристаллов ниобата лития, легированных редкоземельными элементами (Er, Tb, Sm, Lu) в широком концентрационном диапазоне, а также номинально чистых кристаллов ниобата лития. В ходе структурных исследований определялись: степень упорядочения катионной подрешётки в исследуемых кристаллах, механизмы внедрения редкоземельных элементов (Er, Tb, Sm, Lu) в кристаллическую решётку, а также влияние легирования на концентрацию собственных дефектов в кристалле. На основе данных рентгеноструктурного анализа проводился анализ концентрационных зависимостей искажений структуры при вхождении в неё редкоземельных элементов (Er, Tb, Sm, Lu). Связь между структурным состоянием исследуемых кристаллов и их оптическими и нелинейно-оптическими характеристиками устанавливалась на основе комплексных исследований: расчёта нелинейно-оптических восприимчивостей второго порядка, сравнения данных рентгенографии с результатами, полученными методами лазерной коноскопии, спектроскопии комбинационного рассеяния света (КРС) и фотоиндуцированного рассеяния света (ФИРС). В качестве объектов исследования были использованы: 1) 6 образцов LiNbO3:Er (0.08, 0.8, 2.19, 2.48, 2.66, 2.67 мол%); 2) 5 образцов LiNbO3:Tb (0.1, 0.5, 1, 2.1, 2.7 мол%); 3) 5 образцов LiNbO3:Sm (0.03, 0.5, 1, 1.9, 2.5 мол%); 4) 5 образцов LiNbO3:Lu (0.1, 0.2, 1.46, 1.78, 2.15 мол%); 5) номинально-чистый кристалл LiNbO3 стехиометрического состава, полученный с добавлением флюса K2O 5.5 мас% и кристалл, выращенный с избытком [Li2O]=58.6 мол%. Рентгеноструктурные исследования показали, что в кристаллах ниобата лития, легированных редкоземельными элементами (Er, Tb, Sm, Lu), примеси размещаются в позициях лития, локализуясь при этом не в регулярной позиции Li, а смещены либо по направлению к пустому кислородному октаэдру, либо к центру литиевого октаэдра LiO6. В кристаллах LiNbO3:Er и LiNbO3:Tb при высоких концентрациях Er (2.48,2.65,2.67 мол%) и Tb (>2 мол%) часть атомов примеси размещается в пустых октаэдрах. Для кристаллов LiNbO3, легированных Tb и Er установлены пороговые концентрации, при которых наблюдаются резкие изменения как структурных характеристик (периодов элементарной ячейки, межатомных расстояний, степени искажения кислородных октаэдров), так и оптических свойств кристаллов, легированных редкоземельными элементами, составляют порядка 2 мол% . При этом кристаллы LiNbO3 со сравнительно низкими («допороговыми») концентрациями редкоземельных элементов (Er, Tb) обладают более упорядоченной структурой. Показано, что на изменение величины спонтанной поляризации (Ps) и температуры Кюри (Tc) с увеличением концентрации редкоземельных элементов в кристалле, влияет целая совокупность факторов: количество и позиции катионных вакансий, концентрация легирующей примеси, валентность примеси и её позиция в катионной подрешётке, взаимозамещения катионов базовой структуры и типа кластеров (неоднородностей плотности структуры), возникающих из-за неправильного (по сравнению с идеальной структурой) чередования основных и примесных катионов и т.д. Анализ изменения нелинейно-оптических восприимчивостей в зависимости от типа и концентрации редкоземельных примесей показал, что значения коэффициентов нелинейно-оптических восприимчивостей ниже, чем соответствующие значения в кристаллах LiNbO3:Zn, то есть эффективность преобразования излучения во вторую гармонику меньше. Кристаллы LiNbO3, легированные цинком, являются наиболее подходящей средой для нелинейного преобразования излучения с генерацией гармоник. В то же время, они не обладают возможностью лазерной генерации на катионах примеси (Tb3+, Er3+, Sm3+, Lu3+), так как в ионах Zn2+ отсутствует эффективная излучательная рекомбинация на внутриконфигурационных 4fn-4fn переходах, которые экранированы от внешних полей 5s и 5p-оболочками. Наиболее значимые результаты проекта были опубликованы в 3 статьях в журналах, реферируемых в базе данных Web of Science и Scopus, 3 статьи в научных сборниках и 2-х тезисах конференции. Материалы проекта были представлены на 3-х конференциях различного уровня в качестве устных и стендовых докладов.