Нелінійно-оптичний матеріал на основі монокристалічного kdp

Нелінійно-оптичний матеріал на основі монокристалічного KDP, що містить домішку, який відрізняється тим, що як домішки матеріал містить нанокристали ТіO2 (у модифікації анатазу) розміром 5-25 нм у концентрації 10-4-10-5 мас. %. (19) (21) u200912175 (22) 26.11.2009 (24) 11.05.2010 (46) 11.05.2010, Бюл.№ 9, 2010 р. (72) ПРИТУЛА ІГОР МИХАЙЛОВИЧ, КОСІНОВА АННА ВОЛОДИМИРІВНА, КОЛИБАЄВА МАРІЯ ІВАНІВНА, ПУЗІКОВ ВЯЧЕСЛАВ МИХАЙЛОВИЧ, ГАЙВОРОНСЬКИЙ ВОЛОДИМИР ЯРОСЛАВОВИЧ, КОПИЛОВСЬКИЙ МАКСИМ АНДРІЙОВИЧ 3 введення до складу кристала KDP вказаної домішки не призводить до збільшення НЛО відгуку в порівнянні з первинним кристалом у діапазоні інтенсивностей лазерного випромінювання від оди2 ниць до сотень МВт/см . Як прототип обрано останній з аналогів як найбільш близький за сутністю корисної моделі. У основу корисної моделі поставлена задача створення нелінійно-оптичного матеріалу на основі монокристалічного KDP, з високою прозорістю у видимому і інфрачервоному діапазонах спектру, що має ультрашвидкий нелінійно-оптичний відгук третього порядку. Рішення поставленої задачі забезпечується тим, що нелінійно-оптичний матеріал на основі монокристалічного KDP, який містить домішку, згідно корисної моделі, в якості домішки матеріал містить нанокристали ТіО2 (у модифікації анатазу) розміром 5-25нм у концентрації 10-4-10-5мас.%. Експериментально встановлено, що введення наночастинок анатазу ТіО2 приводить до відносного збільшення параметрів кристалічної ґратки (Табл. 1). При цьому захоплення наночастинок ТіО2 розміром 5-25нм здійснюється у кристалі, що росте, напівкогерентними границями між пакетами шарів росту. Такий характер входження часток ТiO2 забезпечує збереження структурної досконалості кристалічної матриці. Взаємодія збуджених поверхневих станів, пов'язаних з вакансіями кисню на поверхні наночастинок ТiO2, з протонною підсистемою матриці KDP приводить до збільшення НЛО відгуку на порядок в порівнянні з прототипом. Для розмірів нанокристалів, що заявляються, спостерігається найбільш ефективне співвідношення вкладів об'єму і розвиненої поверхні наночастинок, а так само придушення процесів рекомбінації фотоіндукованих зарядів. Введення у кристал KDP наночастинок з розмірами більш за 25нм або менш за 5нм не призводить до збільшення НЛО відгуку. Експериментально встановлено, що оптимальний діапазон концентрацій наночастинок ТіО2 складає 10-4-10-5 мас. %. У кристалах KDP, вирощених у вказаному діапазоні концентрацій ТiO2, спостерігається збільшення нелінійно-оптичного відгуку при збереженні структурної досконалості кристала, його оптичних і міцнісних властивостей. При цьому композиційний нелінійно-оптичний матеріал, що заявляється, не поступається монокристалам KDP за такими основними функціональними характеристиками, як оптична однорідність, прозорість (80-90%) у видимому та ІЧ діапазонах спектру (від 0,3мкм до 1,25мкм); лазерна стійкість на довжині хвилі 1064нм (WE 30Дж/см2); механічні властивості (мікротвердість за Віккерсом Hv 1.7ГПа (Р=0.74Н), тріщиностійкість К1C=0.29МН/м3/2). При введенні наночастинок ТіО2 в концентра-4 ції більше ніж 10 мас. % вирощені кристали KDP є непрозорими, оптично неоднорідними, характеризуються наявністю аномального двопроменезаломлення і значним погіршенням стійкісних та міцнісних властивостей. Зменшення концентрації наночастинок ТіО2 менше 10-5 мас. % недоцільно 49798 4 зважаючи на відсутність їх впливу на НЛО властивості матриці. Також експериментально встановлено, що при пікових інтенсивностях лазерних імпульсів менших 2 за І10МВт/см2 цей ефект насичується, і матеріал з інкорпорованими нанокристалами анатазу проявляє підсилений самодефокусуючий відгук у порівнянні з прототипом (див. табл. 2). Таким чином, у матеріалі, що заявляється, існує можливість контролювати знак і величину фотоіндукованих змін показника заломлення при зміні інтенсивності лазерного випромінювання, що може бути використано для керування умовами фазового синхронізму при перетворенні частоти лазерного випромінювання в цьому матеріалі. У таблиці 1 приведені параметри кристалічних ґраток матеріалу, що заявляється, і прототипу. У таблиці 2 приведені порівняльні характеристики кристалів з інкорпорованими наночастинками і прототипу. На фіг. 1 приведена фотографія монокристала KDP:TiO2, який вирощено при концентрації наночастинок ТіО2 10-3 мас. %. На фіг. 2 приведена фотографія монокристала KDP:TiO2, який вирощено при концентрації наночастинок ТіО2 10-5 мас. %. Приклад отримання монокристалічного KDP:TiO2: Монокристали KDP:TiO2 вирощували методом зниження температури на точковій затравці розміром 10x10x10мм3 в кристалізаторі об'ємом 5л. Заздалегідь приготовану суспензію, що містить 40г солі КН2РО4, 100мл дистильованої води та наночастинки ТіО2 у концентрації 10-4 мас. % (у перерахунку на об'єм 5л кристалізатора), диспергували при Т=65°С. Отриману суспензію додавали в ростовий апарат після закінчення процесу регенерації затравки. Кислотність вихідних розчинів складала рН=4,0±0,1. Для забезпечення динамічного режиму вирощування, розчин в кристалізаторі реверсивно перемішувався. Відносне пересичення складало 2-3% при температурі насичення розчину 50°С. Швидкість вирощування складала 3мм/добу. Процес вирощування кристала нелінійнооптичного матеріалу KDP:TiO2 склав 24 дні. Кристали, що було отримано, мали дефокусуючі властивості і збільшені на порядок в порівнянні з прототипом значення кубічної нелінійно-оптичної сприйнятливості. Як видно з таблиці 2, основною перевагою нелінійно-оптичного матеріалу, що заявляється, є прояв ефекту гігантського нелінійно-оптичного відгуку, у поєднанні з високою прозорістю у видимому та ІЧ діапазонах спектру, високою променевою стійкістю на довжині хвилі 1064нм і високими міцнісними властивостями (мікротвердість за Віккерсом, мікрокрихкість). У запропонованому мате 5 49798 ріалі існує можливість контролювати знак і величину фотоіндукованих змін показника заломлення при зміні інтенсивності лазерного випромінювання, 6 що може бути використано для керування умовами фазового синхронізму при перетворенні частоти лазерного випромінювання в цьому матеріалі. Таблиця 1 Кристал KDP:PbO (прототип) Кристал Рефлекс (800) (080) (008) 5,2 6,1 7,1 IRx106 d, Å 3,38 3,41 7,05 , arc sec KDP:TiO2 (концентрація TiO2 10-4 мас. %) d x105 IRx106 , arc sec d 5,8 3,42 5,0 6,3 3,45 14,1 7,2 7,2 11,9 0,931354 0,931403 0,871589 де - півширина кривої хитання; IR - інтегральна потужність віддзеркалення рентгенівського пучка для обраної орієнтації кристала; d - відносне змінення параметрів кристалічної ґратки. d Таблиця 2 Кристал KDP:PbO (прототип) KDP:TiO2 (10-5мас.%) KDP:TiO2 (10-4мас.%) Re ( (3)), 10-9 од. СГСЕ (І>10 МВт/см2) -0,9 -5,3 -2,2 2Vсер, WE, Дж/см2 НV, кг/мм2 (Р=75г) К1С, МН/м3/2 6 12 17 33 32 11 160 158 160 0,29 0,29 0,29 де ( 3 ) - ефективна кубічна нелінійно-оптична сприйнятливість; 2Vcep - аномальна двувісність; WЕ - поріг лазерної міцності; HV - мікротвердість за Віккерсом; К1С - тріщиностійкість. 7 Комп’ютерна верстка А. Крулевський 49798 8 Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601