Способ изготовления нелинейного материала для обращения волнового фронта электромагнитной волны

 

Изобретение относится к квантовой электронике и м.б. использовано для динамической голографии. Цель изобретения снижение мощности, затрачиваемой на создание динамической дифракционной решетки, путем заселения метастабильных состояний рабочих центров с одновременным увеличением набора частот обращаемых волн. Кристалл фторида лития с примесными ионами гидроксила дополнительно легируют примесными ионами гидроксила до достижения коэф. поглощения на длине волны 2,68 мкм от 2 до 4 см^-1. Облученный ионизирующим излучением до доз 2,5·10³-1,25·10⁵ кл/кг в интервале температур от -196° до -40°С кристалл подвергали воздействию лазерного излучения с длиной волны в диапазоне поглощения F₂ центров при плотности мощности 5·10⁴-5·10⁸ Вт/см² и плотности суммарной энергии не менее 1 Дж/см². Нижняя граница диапазона плотности мощности падающего на кристалл излучения обусловлена началом двухквантовых процессов ионизации, а верхняя порогом оптического повреждения кристалла при воздействии наносекундных импульсов. Спектральный диапазон рабочих волн кристалла расширен в коротковолновую область. 1 табл.

Изобретение относится к области квантовой электроники, а точнее к способам изготовления материалов для обращения волновых фронтов (ОВФ) электромагнитных волн, и может быть использовано для динамической голографии. Целью изобретения является снижение мощности, затрачиваемой на создание динамической дифракционной решетки (ДДР) в нелинейном материале, путем заселения метастабильных состояний рабочих F₃⁺⁺-центров с одновременным увеличением набора частот обращаемых волн. Кристалл дополнительно легируют такой концентрацией примесных ионов гидроксила, что коэффициент поглощения кристалла на длине волны 2,68 мкм составляет от 2 до 4 см^-1, облучение ионизирующей радиацией производят в диапазоне температур от -196 до -40^оС, затем кристалл подвергают действию оптического излучения с длиной волны в диапазоне поглощения F₂^--центров при плотности мощности 5 ˙ 10⁴-5 ˙ 10⁸ Вт/см² и плотности суммарной энергии не менее 1 Дж/см². В известных ранее способах изготовления нелинейного материала на основе кристаллов LiF-ОН^- (например (1), (3)) оптимальная концентрация ионов гидроксила, при которой после облучения кристалла γ-квантами полоса поглощения F₃⁺-центров достигала бы максимума, была неизвестна. Экспериментально удалось выявить интервал концентраций примесных ионов ОН^- (К_он. 2-4 см^-1 на λ_погл. 2,68 мкм), при котором в кристаллах после обработки их ионизирующей радиацией создавалась максимальная концентрация F₃⁺⁺ и F₃^+*-центров окраски (ЦО). Под действием ионизирующего облучения в кристаллах LiF создают F-агрегатные центры окраски: F, F₂, F₂⁺, F₃, F₃⁺ и т.д. Обнаружено, что F₃⁺⁺-центры имеют долгоживущие триплетные состояния, время жизни которых при комнатной температуре составляет 40-50 мс. Обнаружено, что кроме обычных F₃⁺-центров, которые присутствуют в любых облученных кристаллах LiF. в кристаллах LiF с ионами гидроксила создают F₃⁺-центры, возмущенные продуктами радиолиза гидроксила (F₃^+*). Их полоса поглощения смещена в коротковолновую область относительно полосы поглощения обычных F₃⁺-центров, F₃^+*-центры также имеют метастабильные триплетные состояния со временем жизни такого же порядка. На основании измерений зависимости пропускания в полосах поглощения F₃⁺ и F₃^+*-центров от мощности возбуждающего излучения установлено, что мощность, необходимая для просветления кристалла с F₃⁺- или F₃^+*-центрами, составляет 10²-10³ Вт/см², что значительно меньше, чем для F₂, F₂⁺ или F₂^--центров (10⁵-10⁶ Вт/см²). Следовательно, и для создания ДДР требуемая мощность будет меньше. Малая величина мощности для F₃⁺ и F₃^+*-центров окраски обусловлена заселением метастабильного триплетного состояния. Если кристалл LiF выращен на воздухе без специального легирования ионами гидроксила, то он содержит небольшую концентрацию ионов гидроксила, так что коэффициент поглощения на длине волны 2,68 мкм (валентные колебания ионов гидроксила) достигает 0,1-0,3 см^-1. Облучение такого кристалла ионизирующей радиацией до доз 2,5 ˙ 10³ 1,25 х 10⁵ Кл/кг при комнатной температуре приводит к созданию в нем F₂, F₂⁺, F₂^-, F₃⁺-центров, а также более сложных F-агрегатных центров. Полоса поглощения F₃⁺-центров перекрывается поглощением F₁ и более сложных F-агрегатных центров, F₃^+*-центров в таком кристалле не обнаружено. Суммарная концентрация F₂ и F-агрегатных центров значительно больше, чем концентрация F₃⁺-центров, поэтому нелинейные свойства кристалла, а следовательно, мощность, затрачиваемая на создание ДДР, определяется суммарным поглощением F₂ и F-агрегатных ЦО. Установлено, что если кристалл облучают в интервале температур от -196 до -40^оС, существует оптимальная концентрация ионов гидроксила, при которой концентрация F₂⁺ и F₃⁺ ЦО достигает максимума, а суммарная F₂ и F-агрегатных ЦО минимальна. Эта концентрация ОН^- такова, что коэффициент поглощения на λ 2,68 мкм лежит в пределах 2-4 см^-1. Концентрация F₃⁺ и F₃^+*-ЦО достигает максимума при К_он в области от 2 до 4 см^-1. С увеличением К_он более 4 см^-1 наблюдается снижение концентрации F₃⁺ и F₃^+*-ЦО за счет того, что продукты радиолиза ионов гидроксила, стабилизирующие F₃⁺ и F₃^+*-ЦО, реагируют между собой, образуя агрегаты примесных дефектов, а следовательно, выбывают из процесса стабилизации. Нижняя граница температурного интервала (-196^оС) в предлагаемом способе определяется тем, что при Т< -196^оС сильно подавляется эффективность образования всех ЦО так, что для создания значительной концентрации рабочих F₃⁺- и F₃^+*-ЦО необходимы большие дозы облучения (> 1,25 х x10⁵ Кл/кг), что в значительной мере усложняет способ и увеличивает затраты времени. Во-вторых, понижение температуры кристалла при облучении ниже -196^оС требует применения жидкого гелия, что еще более усложняет способ. Верхняя граница температурного интервала (-40^оС) определена тем, что при более высокой температуре за счет высокой подвижности анионных вакансий агрегация дефектов происходит непосредственно в процессе облучения. При этом создаются как F₃⁺, так и F₂ и другие F-агрегатные центры. Это приводит к увеличению концентрации F₂ и F-агрегатных ЦО, по сравнению с концентрацией F₃⁺ и F₃^+*-ЦО, а следовательно, к увеличению мощности, требуемой для создания ДДР. Если же кристалл облучают при температуре ниже -40^оС, то в процессе облучения создаются только простейшие дефекты анионные вакансии, F-центры и продукты радиолиза ОН. При последующем нагреве кристалла до комнатной температуры происходит объединение этих дефектов таким образом, что образуются F₃⁺ и F₃^+*-ЦО. Более сложные F-агрегатные ЦО в этом случае практически не появляются. В кристалле LiF с оптимальным содержанием гидроксила и облученном в диапазоне температур от -196 до -40^оС соотношение концентраций меняется в пользу F₃⁺ и F₃^+*-центров. Однако некоторая доля F₂-центров присутствует. Обнаружено, что воздействие излучением с длиной волны в диапазоне поглощения F₂-центров (0,354-0,580 мкм) приводит к их селективному фотообесцвечиванию за счет нелинейных двухквантовых процессов. Для фотоионизации F₂-центров путем воздействия в основную полосу поглощения необходимая плотность мощности падающего на кристалл излучения находится в пределах 5 ˙ 10⁴ 5 ˙ 10⁸ Вт/см², причем нижняя граница диапазона определяется началом двухквантовых процессов ионизации, а верхняя порогом оптического повреждения кристалла при воздействии наносекундных импульсов. П р и м е р реализации способа. Для испытаний использовалось 12 кристаллов (см. табл.) LiF с различным содержанием ионов гидроксила (К_он). Кристаллы излучались γ-излучением Со⁶⁰ при различных температурах: за границами температурного диапазона, на границах и внутри диапазона. Доза облучения для всех кристаллов была одна и та же и составляла 2,5 х 10⁴ Кл/кг. После γ-облучения кристаллы N 3-12 (кроме базового N 1, N 2) подвергались воздействию импульсного сфокусированного излучения с длиной волны из области F₂-полосы поглощения (0,354-0,580 мкм), с частотой повторения импульсов f 20 Гц и плотностью мощности в импульсе 5 ˙ 10⁴- 5 ˙ 10⁸ Вт/см². За счет вращения кристалла лазерное излучение обесцвечивало около 0,5 см² площади кристалла. Суммарная энергия излучения составляла 0,5-30 Дж (1-60 Дж/см²). Измерялась мощность Р, необходимая для просветления кристалла на линиях излучения аргонового ( λ 0,48 мкм) или твердой гармоники неодимового лазеров (λ 0,53 мкм). В таблице приводятся результаты измерений. Как видно из таблицы, мощность, необходимая для просветления кристалла N 1 (прототип), на 2-3 порядка больше, чем для кристаллов NN 3-7, 10, 11. Кристалл N 9, обработанный излучением с λ 0,354-0,580 мм, недостаточной плотности мощности, а также необработанный кристалл N 2 требует мощности просветляющего излучения на порядок больше, чем образцы NN 3-7, 10, 11, обработанные лазерным излучением. Из таблицы видно, что спектральный диапазон рабочих волн расширяется в коротковолновую область.

Формула изобретения

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ НЕЛИНЕЙНОГО МАТЕРИАЛА ДЛЯ ОБРАЩЕНИЯ ВОЛНОВОГО ФРОНТА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ВОЛНЫ на основе монокристалла фторида лития с примесными ионами гидроксила, включающий облучение кристалла ионизирующим излучением до доз 2,5 · 10³ 1,25 · 10⁵ Кл/кг, отличающийся тем, что, с целью снижения мощности, затрачиваемой на создание динамической дифракционной решетки, путем заселения метастабильных состояний рабочих центров с одновременным увеличением набора частот обращаемых волн, кристалл дополнительно легируют примесными ионами гидроксила до достижения коэффициента поглощения на длине волны 2,68 мкм от 2 до 4 см^-1, облучение ионизирующим излучением производят в диапазоне температур от -196 до -40^oС, затем кристалл подвергают действию лазерного излучения с длиной волны в диапазоне поглощения F₂ центров при плотности мощности 5 · 10⁴ 5 · 10⁸ Вт/см² и плотности суммарной энергии не менее 1 Дж/см².

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2