Study of the features of subthreshold action of laser radiation on the surface of lithium niobate crystals

Abramov, P.I., Kuznetsov, E.V., Skvortsov, L.A., Skvortsova, M.I.

For Russian citation (Opticheskii Zhurnal):

Абрамов П.И., Кузнецов Е.В., Скворцов Л.А., Скворцова М.И. Исследование особенностей допорогового воздействия лазерного излучения на поверхность кристаллов ниобата лития // Оптический журнал. 2025. Т. 92. № 8. С. 14–20. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2025-92-08-14-20

Abramov P.I., Kuznetsov E.V., Skvortsov L.A., Skvortsova M.I. Study of the features of subthreshold action of laser radiation on the surface of lithium niobate crystals [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2025. V. 92. № 8. P. 14–20. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2025-92-08-14-20

For citation (Journal of Optical Technology):

Abstract:

Subject of study. The paper studies the phenomena occurring on the surface of lithium niobate crystals exposed to powerful laser radiation with subthreshold intensity. The physicochemical pro-cesses responsible for the detected changes in the photoelectron spectrum of carbon under subthreshold laser exposure are discussed. Aim of study. The aim of the work is to establish the features of the subthreshold effect of high-intensity laser radiation on the surface of lithium niobate crystals. Method. For the study of surface X-ray photoelectron spectroscopy, ion-beam processing and thermal exposure were used. Main results. The results of the experiments indicate that under subthreshold exposure to high-intensity laser radiation, physical and chemical processes associated with the decomposition of hydrocarbons adsorbed on the surface of the lithium niobate crystal occur. The obtained experimental data allow us to link the process of hydrocarbon decomposition with the characteristics of laser damage to the crystal surface. Practical significance. The results of the work substantiate the possibility of increasing the thresholds of laser damage for an entire class of quantum electronics materials.

Keywords:

lithium niobate, laser damage threshold, accumulation effect, adsorption, hydrocarbons, photoelectron spectroscopy

OCIS codes: 160.3730, 350.3450, 350.5340, 300.6490

References:

1. Зверев Г.М., Левчук Е.А., Пашков В.А., Порядин Ю.Д. Разрушение поверхности монокристаллов ниобата и танталата лития под действием лазерного излучения // Квантовая электроника. 1972. Т. 2. № 8. С. 94–96.
Zverev G.M., Levchuk E.A., Pashkov V.A., Poryadin Y.D. Laser-radiation-induced damage to the surface of lithium niobate and tantalate single crystals // Soviet Journal of Quantum Electronics. 1972. V. 2. № 2. P. 167. https://doi.org/10.1070/QE1972v002n02ABEH004409
2. Скворцов Л.А., Степанцов Е.С. Лазерная прочность бикристаллической системы ниобат-танталат лития // квантовая электроника. 1993. Т. 20. № 11. С. 1127–1129.
Skvortsov L.A., Stepantsov E.S. Laser damage resistance of a lithium niobate-tantalate bicrystal system // Quantum Electronics. 1993. V. 23. № 11. Р. 981–982. https://doi.org/10.1070/QE1993v023n11ABEH003238
3. Чмель А.Е. Накопительный эффект при лазерном разрушении оптических стекол (обзор) // Физика и химия стекла. 2000. Т. 26. №. 1. С. 70–83.
Chmel’ A.E. Cumulative effect in laser-induced damage of optical glasses: a review // Glass physics and chemistry. 2000. V. 26. P. 49–58. https://doi.org/10.1007/BF02731943
4. Банишев А.Ф., Голубев В.С., Кремнев А.Ю. Разрушения поверхности кремния в твердой фазе при воздействии импульсов YAG:Nd-лазера // Квантовая электроника. 1998. Т. 25. № 10. С. 941–944.

Banishev A.F., Golubev V.S., Kremnev A.Y. Damage to the surface of silicon in the solid phase by the action of Nd: YAG laser pulses // Quantum Electronics. 1998. V. 28. № 10. P. 917. https://doi.org/10.1070/QE1998v028n10ABEH001355
5. Банишев А.Ф., Голубев В.С., Кремнев А.Ю. Влияние внешней атмосферы и типа газа на генерацию дефектов и разрушение поверхности кремния при воздействии лазерных импульсов // Журнал технической физики. 2004. Т. 74. № 8. С. 81–85.
Banishev A.F., Golubev V.S., Kremnev A.Y. Effect of the ambient atmosphere and the gas type on generation of defects and destruction of silicon surface under the action of laser pulses // Technical Physics. 2004. V. 49. P. 1035–1039. https://doi.org/10.1134/1.1787664
6. Кугаенко О.М., Васильева Л.А. Влияние лазерного допорогового накопления дефектов на оптическую стойкость кристаллов // Известия Российской академии наук. Серия физическая. 2016. Т. 80. № 12. С. 1654–1660.
Kugaenko O.M., Vasilieva L.A. Impact of subthreshold laser defect accumulation on the optical stability of crystals // Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. 2016. V. 80. P. 1459–1464. https://doi.org/10.3103/S1062873816120108
7. Зверев Г.М., Колядин С.А., Левчук Е.А., Скворцов Л.А. Влияние поверхностного слоя на стойкость ниобата лития к действию лазерного излучения // Квантовая электроника. 1977. V. 4. № 9. Р. 1882–1889.
Zverev G.M., Kolyadin S.A., Levchuk E.A., Skvortsov L.A. Influence of the surface layer on the optical strength of lithium niobate // Soviet Journal of Quantum Electronics. 1977. V. 7. № 9. Р. 1071–1075. https://doi.org/10.1070/QE1977v007n09ABEH012799
8. Зверев Г.М., Наумов В.С., Пашков В.А., Сидорюк О.Е., Скворцов Л.А. Особенности лазерного повреждения сегнетоэлектрических кристаллов // Изв. АН СССР. Сер. физическая. 1982. V. 46. № 6. Р. 1135–1140.
9. Нефедов В.И. Рентгено-электронная спектроскопия химических соединений: Справочник. М: Химия, 1984. 256 с.
10. Manenkov A.A. Fundamental mechanisms of laserinduced damage in optical materials: today’s state of understanding and problems // Optical Engineering. 2014. V. 53. № 1. Р. 010901–010912. https://doi.org/10.1117/1/OE.531.010901
11. Ristau D. Laser-induced damage in optical materials. Boca Raton: CRC Press, 2014. 551 р.
12. Бутенин А.В., Коган В.Я. Механизм разрушения прозрачных полимерных материалов при многократном воздействии импульсного лазерного излучения // Квантовая электроника. 1976. V. 3. № 5. Р. 1136–1138.
Butenin A.V., Kogan B. Y. Mechanism of damage of transparent polymer materials due to multiple exposure to laser radiation pulses // Soviet Journal of Quantum Electronics. 1976. V. 6. № 5. Р 611–613. https://doi.org/10.1070/QE1976v006n05ABEH011411
13. Waples D.W. The kinetics of in-reservoir oil destruction and gas formation: constraints from experimental and empirical data, and from thermodynamics // Organic Geochemistry. 2000. V. 31. № 6. Р. 553–575. https://doi.org/10.1016/S0146-6380(00)00023-1
14.Weis R.S., Gaylord T.K. Lithium niobate: Summary of physical properties and crystal structure // Applied Physics A. 1985. V. 37. Р. 191–203. https://doi.org/10.1007/BF00614817
15. Abrahams S.C., Marsh P. Defect structure dependence on composition in lithium niobate // Acta Crystallographica Section B: Structural Science. 1986. V. 42. № 1. Р. 61–68. https://doi.org/10.1107/S0108768186098567
16. Cui Y., Yu H., Zhao Y., Jin Y., He H., Shao J. Impact of organic contamination in vacuum on laser-induced damage threshold of TiO2/SiO2 dielectric mirrors // Chinese Optics Letters. 2007. V. 5. № 11. Р. 680–682. https://opg.optica.org/col/abstract.cfm?URI=col-5-11-680