Разработка методов изготовления периодических нано-доменных структур с субмикронными периодами в монокристаллах ниобата лития с использованием импульсного лазерного облучения. Этап №2 «Исследование формирования доменной структуры в результате неоднородного импульсного облучения лазером»

Abstract

Объектом проводимых исследований является процесс формирования периодической нано-доменной структуры в монокристаллах ниобата лития в результате импульсного воздействия интенсивного лазерного излучения. Цель работы – создание научных основ технологии изготовления нано-доменных структур с субмикронными периодами для управления нелинейно-оптическими свойствами и создания оптических элементов для преобразования частоты и коммутации когерентного излучения. Разработаны и апробированы три варианта экспериментальных методик с использованием облучения ИК и УФ импульсным интенсивным лазерным излучением для создания периодических доменных структур в пластинах конгруэнтного LN и MgO:LN: (1) без приложения электрического поля, (2) с приложением поля в процессе облучения, и (3) с приложением поля после облучения. Экспериментально и методами компьютерного моделирования исследовано формирование нано-доменных структур в пироэлектрическом поле, возникающем в результате воздействия импульсного лазерного излучения. Для визуализации нано-доменов использованы методы сканирующей зондовой микроскопии. Впервые показана возможность создания стабильных полосовых доменных структур с шириной доменов менее микрона и глубиной более 400 мкм. Впервые обнаружен и объяснен эффект блокирования роста доменов за пределы электрода, вызванный неоднородным нагревом пластины с поверхностными аппликациями. Методами компьютерного моделирования выявлены особенности пространственного распределения пироэлектрического поля после окончания лазерного импульса при охлаждении нагретой лазерным излучением зоны, что позволило объяснить основные закономерности формирования нано-доменных структур. Выявлена роль коррелированного зародышеобразования при формировании нано-доменных структур. Предложена достоверная модель для объяснения механизма переключения при воздействии локального нагрева, подтвержденная совпадением результатов расчета с экспериментом. Изготовлены экспериментальные образцы, представляющие собой пластины ниобата лития с периодической доменной структурой.4Полученные результаты позволили сформулировать новое направление доменной инженерии, связанное с использованием пространственно неоднородного импульсного нагрева сегнетоэлектриков для формирования прецизионных стабильных структур, состоящих из полосовых нано-доменов шириной 200-300 нм и глубиной, достигающей сотен микрон. Такие структуры могут быть использованы для создания волноводных и объемных устройств. Предложенная методика позволит также качественно улучшитьтехнологию создания нелинейно-оптических элементов для генерации второй гармоник в диапазоне длин волн 400-600 нм на основе регулярных доменных структур с периодом 3-7 мкм. Полученные результаты патентоспособны и представляют значительный интерес для развития нано-доменной инженерии и создания периодических микро- и нано-доменных структур в ниобате лития, что позволит реализовать новые возможности применения сегнетоэлектриков в фотонике. Разработанная методика обладает рядом очевидных преимуществ по сравнению с известными методами создания периодических доменных структур с субмикронными периодами. Она является уникальной и исключительно перспективной для широкого круга применений, поскольку позволяет значительно упростить и удешевить процесс изготовления периодических структур. Внедрение предложенной методики создания периодических доменных структур позволит улучшить параметры устройств для преобразования длины волны излучения при одновременном существенном уменьшении их стоимости, что открывает путь к массовому производству устройств на основе периодически поляризованного ниобата лития с прецизионной микро- и нано-доменной структурой. Полученный конкурентоспособный продукт может быть широко внедрен на нескольких сегментах мирового рынка: (1) биомедицинские инструменты, (2) цифровое изображение и копирование, (3) хранение информации, (4) контроль полупроводников, (5) проекционное телевидение. На основании полученных результатов с учетом проведенной оценки возможности создания конкурентоспособной технологии разработаны технические требования для ТЗ на НИОКР.