Dynamic photorefractive holograms in Cu:LiNbO3 crystals doped by thermal diffusion

Kolmakov A.A., Anisimov R.I., Komov E., Shandarov, S.M., Burimov, N.I.

For Russian citation (Opticheskii Zhurnal):

Колмаков А.А., Анисимов Р.И., Комов Э., Шандаров С.М., Буримов Н.И. Динамические фоторефрактивные голограммы в кристаллах LiNbO₃:Cu, легированных методом термической диффузии // Оптический журнал. 2025. Т. 92. № 7. С. 26–34. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2025-92-07-26-34

Kolmakov A.A., Anisimov R.I., Komov E., Shandarov S.M., Burimov N.I. Dynamic photorefractive holograms in Cu:LiNbO₃ crystals doped by thermal diffusion [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2025. V. 92. № 7. P. 26–34. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2025-92-07-26-34

For citation (Journal of Optical Technology):

Abstract:

Subject of the study. The dynamics of the formation of photorefractive holograms in Cu:LiNbO₃ structures fabricated by thermal diffusion of copper. Objective. Synthesis of Cu:LiNbO₃ samples with high photovoltaic properties for applications. Methods. Thermal diffusion from 800 nm thick films at temperatures of 600  and 700 °C in an argon atmosphere for 12 hours. Measurement of the concentration of ions in charge states Cu⁺ and Cu²⁺ via the absorption index at wavelengths of 532 and 808 nm, respectively. Formation of photorefractive holograms and recording of the dynamics of diffraction efficiency using laser beams with wavelengths of 532 and 650 nm, respectively. Main Results. Provided maximum values of the concentration of donor and trap centers localized near the X-faces of the crystal plate. Photorefractive holograms in such a structure demonstrate a diffraction efficiency of 0.22 at a grating period 10 µm and a recording time of about 100 s. Practical significance. The obtained Cu:LiNbO₃ structures are promising for use in devices utilizing the evanescent fields of dynamic photorefractive holograms, including hybrid “liquid crystal/Cu:LiNbO₃” components and photovoltaic tweezers for manipulating micro- and nanoobjects.

Keywords:

photorefractive effect, photovoltaic tweezers, lithium niobate, diffusion doping, copper ions

Acknowledgements:

the work was carried out within the framework of the State Task of the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation for 2023–2025 (task FEWM-2023-0012).

OCIS codes: 190.0190, 050.1950, 090.2900

References:

1. Volk T., Wöhlecke M. Lithium niobate: Defects, photorefraction and ferroelectric switching. Berlin, Heidelberg: Springer, 2008. 247 p.
2. Галуцкий В.В., Ивашко С.С. Температурные дисперсии показателей преломления и коэффициентов поглощения кристаллов ниобатов калия и лития, активированных ионами иттербия, эрбия и хрома, в терагерцовом диапазоне частот // Оптический журнал. 2020. Т. 87. № 1. С. 62–68. https://doi.org/10.17586/1023-5086-2020-87-01-62-68
Galutskiy V.V., Ivashko S.S. Temperature dispersions of refractive indices and absorption coefficients of KNbO3 and LiNbO3 crystals in the THz frequency range // J. Opt. Technol. 2020. V. 87. № 1. P. 50–55. https://doi.org/10.1364/JOT.87.000050
3. Герасименко Н.Д., Герасименко В.С., Петров В.М. Эффективное коллинеарное взаимодействие излучения с бегущей решеткой показателя преломления в электрооптических волноводах в ниобате лития // Оптический журнал. 2022. Т. 89. № 4. С. 3–11. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2022-89-04-03-11
Gerasimenko N.D., Gerasimenko V.S., Petrov V.M. Effective collinear interaction of radiation with a traveling refractive index grating in electro-optical waveguides in lithium niobate // J. Opt. Technol. 2022. V. 89. № 4. P. 191–196. https://doi.org/10.1364/JOT.89.000191
4. Tsarukyan L., Badalyan A., Drampyan R. Synergy of nanoparticles photovoltaic trapping and manipulation from suspension layer on ferroelectric crystal surface // Optical Memory and Neural Networks. 2024. V. 32. № Suppl 3. P. S369–S383. https://doi.org/10.3103/S1060992X23070202
5. Анисимов Р.И., Темерева А.С., Колмаков А.А. и др. Объемные пропускающие голограммы в кристаллах ниобата лития с поверхностным легированием медью для реализации фотовольтаических пинцетов // Опт. и спектроск. 2023. Т. 131. № 10. С. 1365–1373. https://doi.org/10.61011/OS.2023.10.56888.5480-23
Anisimov R.I., Temereva A.S., Kolmakov A.A., et al. Volume transmission holograms in lithium niobate crystals with surface copper doping for photovoltaic tweezers // Opt. and Spectrosc. 2023. V. 131. № 10. P. 1298–1305. https://doi.org/10.61011/OS.2023.10.56888.5480-23
6. Sebastián-Vicente C., Zamboni R., García-Cabañes A., et al. Photovoltaic charge lithography on passive dielectric substrates using Fe:LiNbO3 stamps // Advanced Electronic Materials. 2024. P. 2400327. https://doi.org/10.1002/aelm.202400327
7. Петров М.П., Степанов С.И., Хоменко А.В. Фоторефрактивные кристаллы в когерентной оптике. СПб.: Наука, 1992. 320 с.
Petrov M.P., Stepanov S.I. Photorefractive crystals in coherent optics [in Russian]. St. Petersburg: "Nauka" Publ., 1992. 320 p.
8. Peithmann, K., Hukriede J., Buse K., et al. Photorefractive properties of LiNbO3 crystals doped by copper diffusion // Phys. Rev. B. 2000. V. 5. № 7. P. 4615. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.61.4615
9. Blázquez-Castro A., García-Cabañes A., Carrascosa M. Biological applications of ferroelectric materials // Appl. Phys. Rev. 2018. V. 5. № 4. P. 041101. https://doi.org/10.1063/1.5044472
10. Lucchetti L., Reshetnyak V. Hybrid photosensitive structures based on nematic liquid crystals and lithium niobate substrates // Opt. Data Proc. and Storage. 2018. V. 4. № 1. P. 14–21. https://doi.org/10.1515/odps-2018-0003
11. Мамбетова К.М., Шандаров С.М., Татьянников А.И. и др. Агрегирование диэлектрических наночастиц на X-срезе кристалла LiNbO3:Cu электрическими полями фоторефрактивных голограмм // Известия вузов. Физика. 2019. Т. 62. № 4. С. 89–93. https://doi.org/10.17223/00213411/62/4/89
Mambetova K.M., Shandarov S.M., Tatyannikov A.I. Aggregation of dielectric nanoparticles on X-cut of LiNbO3:Cu crystal by electric fields of photorefractive holograms [in Russian] // Izvestiya Vuzov. Fizika. 2019. V.62. № 4. P. 89–93. https://doi.org/10.17223/00213411/62/4/89
12. Kukhtarev N., Kukhtareva T., Okafor F. Optical trapping of nano-(micro) particles by gradient and photorefractive forces // J. Holography and Speckle. 2009. V. 5. № 3. P. 268–274. https://doi.org/10.1166/jhs.2009.1025
13. Esseling M., Zaltron A., Argiolas N., et al. Highly reduced iron-doped lithium niobate for optoelectronic tweezers // Appl. Phys. B: Lasers and Opt. 2013. V. 113. P. 191–197. https://doi.org/10.1007/s00340-013-5456-8
14. Мамбетова К.М., Смаль Н.Н., Шандаров С.М. и др. Динамика формирования пропускающих голограмм в кристаллах ниобата лития, легированных медью методом высокотемпературной диффузии // Известия вузов. Радиофизика. 2014. Т. 57. № 8–9. С. 675–682.
Mambetova K.M., Smal’ N.N., Shandarov S.M., et al. Formation dynamics of transmission holograms in lithium niobate crystals doped by copper through hightemperature diffusion // Radiophys. and Quant. Electron. 2015. V. 57. № 8. P. 603–609. https://doi.org/10.1007/s11141-015-9545-x
15. Колмаков А.А., Темерева А.С., Анисимов Р.И. и др. Исследование распределения меди в структуре LiNbO3:Cu Х-среза с поверхностным легированием // Тез. докл. XXXIII Всеросс. школа-семинар «Волновые явления: физика и применения» им. А.П. Сухорукова («Волны-2022»). 2022. С. 58–61.
Kolmakov A.A., Temereva A.S., Anisimov R.I., et al. Investigation of copper distribution in LiNbO3:Cu X-cut structure with surface doping [in Russian] // A.P. Sukhorukov All-Russian School-Seminar “Wave Phenomena: Physics and Applications” (“Waves-2022”). 2022. P. 58–61.
16. Mikami O. Cu-diffused layers in LiNbO3 for reversible holographic storage // Opt. Commun. 1974. V. 11. № 1. P. 30–32. https://doi.org/10.1016/0030-4018(74)90325-3
17. Kar S., Bartwal K.S. Cu2+ ion in-diffusion in congruent LiNbO3 single crystals // Materials Lett. 2008. V. 62. № 24. P. 3934–3936. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2008.05.031
18. Sugak D., Syvorotka I.I., Yakhnevych U., et al. Optical investigation of the Cu ions diffusion into bulk lithium niobate // Acta Physica Polonica A. 2018. V. 133. P. 965–972. http://dx.doi.org/10.12693/APhysPolA.133.965
19. Мамбетова К.М., Шандаров С.М., Орликов Л.Н. и др. Формирование динамических фоторефрактивных решеток в кристалле LiNbO3:Cu с поверхностным легированием // Опт. и спектроск. 2019. Т. 126. № 6. С. 856–861. http://dx.doi.org/10.21883/OS.2019.06.47782.31-19
Mambetova K.M., Shandarov S.M., Orlikov L.N., et al. Formation of dynamic photorefractive gratings in a LiNbO3:Cu surface-doped crystal // Opt. and Spectrosc. 2019. V. 126. № 6. P. 781–786. https://doi.org/10.1134/S0030400X1906016X
20. Jackel J.L. Suppression of outdiffusion in titanium diffused LiNbO3: A review // J. Opt. Commun. 1982. V. 3. № 3. P. 82–85. https://doi.org/10.1515/JOC.1982.3.3.82