Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Одной из актуальных задач квантовой электроники и лазерной техники является поиск новых высокоэффективных нелинейно-оптических материалов. Применяемые в настоящее время неорганические кристаллы не полностью удовлетворяют предъявляемым на практике разнообразным требованиям. Органические нелинейно-оптические материалы привлекают к себе внимание как преобразователи частоты оптического лазерного излучения и элементы средств оптической связи и записи информации. При этом интерес к ним объясняется высокой нелинейной восприимчивостью, на порядки превосходящей данную величину у неорганических кристаллов, высокой оптической стойкостью, структурной гибкостью, позволяющей целенаправленно и последовательно оптимизировать нелинейные и другие свойства кристаллов. Широкое применение органических материалов сдерживается в настоящее время из-за слабой разработки вопросов кристаллизации органических веществ, а также из-за отсутствия надежных технологий получения кристаллов и изготовления из них оптических элементов.
Целью работы является решение комплексной материаловед-ческой задачи: от поиска перспективного органического материала до разработки технологичной методики выращиванияя конкретного кристалла, изготовления и аттестации нелинейно-оптических элементов. В ходе решения этой задачи- были проведены фундаментальные исследования и разработаны физико-химические и методические основы процесса выращивания и характеризации нелинейного кристалла З-метил-4-нитропиридин-І-оксида (английская аббревиатура - "РОМ").
Научная новизна. Опираясь на изучение зависимости растворимости от полярности растворителей, найден принципиально новый растворитель для выращивания монокристаллов РОМ - бинарная система ацетон/вода. Обнаружено и аргументированно объяснено в терминах изменения структуры раствора аномальное поведение растворимости РОМ в данной системе.Используя спектроскопические методы, показано, что молекулы РОМ в смесях ацетон/вода образуют сильную водородную связь с водой посредством N-оксидной группы. Впервые изучена кинетика роста кристалла РОМ в зависимости от
состава бинарного растворителя и от пересыщения. На основе рассчитанных а-факторов поверхностной энтропии граней, изучения их морфологии, а также с использованием кинетических данных сделан вывод о послойном дислокационном механизме роста кристалла РОМ.
С применением оптических методов показано, что ростовые дефекты в РОМ характеризуются секториальным распределением, которое определяется составом и природой растворителей. Впервые обнаружена интенсивная фотолюминесценция кристаллов РОМ в желто-красной области спектра. Впервые измерены температурная и спектральная ширины синхронизма ГВГ в кристалле РОМ.
Практическая значимость работы. Предложены четкие структурные критерии, определяющие высокие значения нелинейной восприимчивости х(2) молекулярных кристаллов и других органических сред. На их основе разработана комплексная методика отбора высокоэффективных нелинейно-оптических органических материалов.
Найдены оптимальные условия для выращивания крупных, совершенных монокристаллов РОМ более высокого оптического качества и с большими скоростями роста, чем было известно ранее. Разработанный подход к исследованию процессов кристаллизации РОМ в бинарных водно-органических растворителях может служить модельным для выращивания других органических кристаллов. Разработана лабораторная методика получения кристаллов РОМ с высокой степенью воспроизводимости, включающая в себя оригинальные методы крепления . затравок и отжига кристаллов, защищенные патентами.
Изготовлены нелинейно-оптические преобразователи РОМ и испытаны на генерацию второй гармоники импульсного лазерного излучения с длинами волн 1,06 и 1,32 мкм. Изучение зависимости эффективности преобразования от мощности и расходимости излучения накачки позволяет сделать вывод о перспективности применения кристаллов РОМ для удвоениия частоты маломощных, в т.ч. полупроводниковх лазеров, и преобразования излучения сверхкоротких импульсов.
Основные защищаемые положения:
I. Исследование аномальной растворимости и межмолекулярных изаимодейотвий Н>м в бинарной системе ацетон/вода, а также
изучение кинетики роста позволяет выявить оптимальные условия для выращивания крупных кристаллов РОМ нужного габитуса и высокого оптического качества.
-
Результаты изучения с помощью оптических методов процессов дефектообразования в РОМ свидетельствуют секториально-избирательном распределении разных типов включений в кристаллах, при этом наиболее совершенными являются сектора роста <201>.
-
Исследование физических, оптических и нелинейно--оптических свойств выращенных кристаллов позволило разработать методику изготовления моносекториальных опт:г:пских элементов РОМ с высокими нелинейными характеристиками.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на семинарах и на конкурсах научных работ в КТИ монокристаллов СО РАН (Новосибирск, 1988 - 1989 г.), на VII и VIII Всесоюзных конференциях по росту кристаллов (Москва, 1988 г. и Харьков, 1992 г.), на V Международной школе по применению лазеров в атомной, молекулярной и ядерной физике "ISLA-90" (Вильнюс, 1990 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе 2 тезисов докладов.
Структура диссертации, диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитированной литературы и приложения.
В главе I приведен литературный обзор современных теоретических представлений, касающихся связи строения органических молекул и кристаллов с их нелинейно-оптическими свойствами. Рассмотрены последние достижения в области выращивания органических кристаллов для целей нелинейной птики. Освещены известные ранее методы выращивания и физические свойства кристалла РОМ.
В главе 2 представлена методика предварительного отбора РОМ среди других нелинейных органических кристаллов. Приведена методическая часть экспериментов по кинетическим исследованиям, выращиванию и характеризации кристаллов РОМ.
В главе 3 приведены результаты исследования анома;ьной растворимости и межмолекулярных взаимодействий РОМ в бинарном растворителе ацетон/вода. Обсуждены результаты изучения кинетики
роста; на основе комплексного подхода сделана оценка механизма кристаллизации РОМ. Представлена разработанная лабораторная методика выращивания монокристаллов РОМ из раствора.
Глава 4 посвящена характеризации выращенных кристаллов РОМ, изучению их реальной дефектной структуры и оптических свойств. Приведены результаты измерения нелинейно-оптических характеристик изготовленных на основе кристалла РОМ преобразователей частоты.
В заключении сформулированы основные выводы из работы, а также даны рекомендации по практическому применению научных положений и результатов диссертации.
Объе, м диссертации составляет 163 страницы, включая 7 таблиц, 33 рисунка, в т.ч. 13 фотографий. Библиография содержит 168 наименований.