Динамические фоторефрактивные голограммы в кристаллах LiNbO3:Cu, легированных методом термической диффузии

Колмаков А.А., Анисимов Р.И., Комов Э., Шандаров С.М., Буримов Н.И.

Полный текст на elibrary.ru

Ссылка для цитирования:

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

Ссылка на англоязычную версию:

Аннотация:

Предмет исследования. Динамика формирования фоторефрактивных голограмм в структурах LiNbO₃:Cu, созданных термической диффузией меди. Цель работы. Синтез образцов LiNbO₃:Cu с высокими фотовольтаическими свойствами для использования в приложениях. Методы. Термическая диффузия из пленок с толщиной 800  нм при температурах 600  и 700 °C в атмосфере аргона в течение 12 час. Измерение концентрации ионов в зарядовых состояниях Cu⁺ и Cu²⁺ по показателю поглощения на длинах волн 532 и 808 нм соответственно. Формирование фоторефрактивных голограмм и регистрация динамики дифракционной эффективности лазерными пучками с длинами волн 532 и 650 нм соответственно. Основные результаты. Диффузия при 700 °C обеспечивает максимальные концентрации донорных и ловушечных центров, локализованных вблизи X-граней пластины. Фоторефрактивные голограммы в такой структуре демонстрируют дифракционную эффективность около 0,22 при периоде 10 мкм и времени записи около 100 с. Практическая значимость. Полученные структуры LiNbO₃:Cu перспективны для применения в устройствах, использующих эванесцентные поля динамических фоторефрактивных голограмм, включая гибридные элементы «жидкий кристалл/LiNbO₃:Cu» и фотовольтаические пинцеты для управления микро- и нанообъектами.

Ключевые слова:

фоторефрактивный эффект, фотовольтаический пинцет, ниобат лития, диффузионное легирование, ионы меди

Благодарность:

работа выполнена в рамках Госзадания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации на 2023–2025 гг. (задание FEWM-2023-0012).

Коды OCIS: 190.0190, 050.1950, 090.2900

Список источников:

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