Исследование физических свойств и областей применения кристаллов ниобата лития



Ниобат лития имеет кристаллическую структуру. Закономерности строения элементарных структурных единиц, в особенности, степень симметричности, определяют физические свойства материала

Благодаря теории групп было доказано, что все типы кристаллических структур можно разложить на 14 типов решеток Браве [1] (рисунок 1).

Рис. 1. Решетки Браве

Каждая система (ромбическая, тригональная, кубическая и прочие) обладают собственными соотношениями сторон элементарной ячейки и кристаллографическими углами . На рисунке 2 изображены кристаллографические оси координат и углы между ними.

Рис. 2. Кристаллографические оси координат [1]

Для связи с внешней огранкой кристалла в геометрической кристаллографии применяется кристаллографическая система осей — X, Y, Z. Оси могут быть неортоганальными. При выборе системы координат руководствуются, в первую очередь, симметрией внешней огранки.

Кристалл ниобат лития в сегнетоэлектрической фазе при низкой температуре имеет ромбическую решетку [2]. Кристалл лития подвержен явлению анизотропии — показатель преломления, электропроводность и другие свойства меняются в зависимости от направления. Этот факт становится очевидным, если принять во внимание кристаллическую структуру ниобата лития, показанную на рисунке 3.

Рис. 3. Структура [2]

Для разных применений из материала вырезают пластину с нужной ориентацией кристаллической структуры. Срез кристалла обозначается с помощью декартовых координат. В общем случае, принимают кристалл идеальным, и привязывают к нему декартовы координаты [1]. Для лучшего понимания, рассмотрим на рисунке 4 самый простой случай: срез совпадает с плоскостью, которая определяется двумя осями координат, к примеру, X, Y.

Рис. 4. Схематичное изображение пластины Z-среза [1]

Нормаль к данной плоскости совпадает с осью Z. Срезы подобного вида называются стандартными, а данный срез, в частности, называется Z-срезом. Аналогично определяют кристаллы X и Y-срезов.

У ниобата лития неравное соотношение сторон кристаллической решетки. Главным отличием свойств кристаллов разных срезов является то, что X-срез обладает двулучепреломлением, а Z-срез — нет. В добавление к этому, у них разные электрооптические, акустооптические, пироэлектрические и др. коэффициенты. Отсюда и различное применение, обусловленное анизотропией физических свойств. На рисунке 5 изображена фотография пластин из ниобата лития.

Рис. 5. Пластины из ниобата лития

В 80-х годах прошлого столетия, в исследованиях посвященных стабильности работы интегральных оптических систем, рассматривались модуляторах, основанные на титанодиффузионных волноводах, подложки которых были созданы из ниобата лития Z-среза [3]. Однако в 2000-х годах выходят работы о волноводах, сформированных на подложках X-среза. Модуляторы, образованные на X-срезе имеют лучшую стабильность, обладают схожими процессами образования дрейфа показателя преломления оптических волноводов для титанодиффузионных и протонообменных модуляторов.

Поляризованные по Z-оси кристаллы ниобата лития приобрели широкое распространение в акустооптических системах, применяются как удвоители частот, как оптические параметрические генераторы, а также, в качестве устройств с квази-согласованной фазой.

Кристаллы X-среза используются для создания гироскопов в авиационной и морской навигации. Из этих кристаллов делают пьезоэлектрические преобразователи.

Пластины X-среза могут пропускать узкий диапазон длин волн. Благодаря этому свойству большое распространение пластины X-среза имеют в создании интерференционно-поляризационных фильтров.

Таким образом, ниобат лития имеет широчайшее применение, как в исследовательской работе, так и в прикладных задачах. Данный факт подчеркивает актуальность изучения данного кристалла. Однако для его эффективного использования необходимо учитывать структуру кристалла, и, соответственно, зависящие от этого физические свойства.

Литература:

1. Блистанов А. А. Кристаллы квантовой и нелинейной оптики [Текст] / А. А. Блистанов. — М.: МИСИС, 2000. — 426 с.
2. Sanna S. Lithium niobade X-cut, Y-cut and Z-cut surfaces from ab initio theory / Sally Sanna // Physical Review Letters. — NY., 2010 — P. 28–34.
3. Ярив А. Оптические волны в кристаллах: пер. с англ. [Текст] / А. Ярив, П. М. Юх, А. В. Газорян. — М.: Мир, 1987. — 616 с.