Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Einkristalles aus (LiZ0)0,44-0,5 (Nb2O5)0,50,5, der bis zu 1 t'c seines Kationengehalts mit anderen Stoffen dotiert sein kann, bei welchem Verfahren in einem Ofen eine den Einkristall iiefernde Schmelze erzeugt wird, dann der Einkristall aus der Schmelze gezüchtet und anschliessend einer Temperung unterworfen wird.
Der Entwicklung des Lasers folgten rasch Untersuchungen, die auf die Entwicklung von Zusatzschaltungselementen gerichtet waren. Eine wesentliche Gruppe solcher Elemente hängt von einer Modifikationsart der Laserstrahlung ab. Bei einer Kategorie von Einrichtungen, die gelegentlich als lineare Einrichtungen angesehen werden, kann die Modifikation die Form einer Amplituden-, Frequenz-, Phasenoder Spezialmodulation annehmen, welche fest oder vom zugeführten Signal abhängig sein kann. Diese Kategorie ist in der Übermittlungstechnik von besonderer Bedeutung, bei der die Möglichkeit der Verwendung der Laserstrahlung als breitbandiger Träger in Betracht steht und die verschiedenen Modulationseinrichtungen zum Einführen von Hilfsträgern und zur Signalmodulation dienen.
Eine andere Einrichtungskategorie hängt von dem nichtlinearen Effekt (nichtlineare Änderung der Grösse der induzierten Polarisation relativ zur Signalstärke) ab. Derartige Einrichtungen werden üblicherweise zur Erzeugung einer Form von Frequenzumtastung verwendet. Wesentliche Beispiele hierfür sind z. B. Generatoren für die zweite und höhere Harmonische (SHG usw.) und parametrische Mischstufen, Abwärtswandler, Oszillatoren und Modulatoren.
Über eine gewisse Zeit war das wahrscheinlich bedeutendste Material für beide Kategorien KDP (Kaliummonophosphat). Der Grund für die bevorzugte Verwendung dieses Materials lag weitgehend darin, dass grosse kristalline Abschnitte mit der erforderlichen Perfektion zur Verfügung standen und die Grösse des relevanten Koeffizienten, linear oder nichtlinear, brauchbar ist.
Ein bemerkenswerter Fortschritt wurde mit der Erkenntnis gemacht. dass viele Eigenschaften von KDP in verbesserter Form bei Lithiummetaniobat (dargestellt durch die Nennformel LiNbO3) gegeben sind, vgl. Applied Physics Letters 5, 62 (1964), und Applied Physics Letters 5, 234 (1964). Zu den sich ergebenden Einrichtungseigenschaften gehört ein nichtlinearer Koeffizient d31, der gleich dem 11fachen Wert des besten Koeffizienten von KDP ist, eine elektrooptische Gütezahl (n33 r33) wobei n3 der Brechungsindex in der C Richtung und r33 der relevante elektrooptische Koeffizeint gleich etwa dem 8fachen desjenigen von KDP ist. Dieses neue Material, das über den Bereich von etwa 8 Mikrometer bis 0,3 Mikrometer ausreichend durchlässig ist, erwies sich als chemisch und physikalisch stabil unter den meisten in Betracht kommenden Bedingungen.
Es wurde gefunden, dass das Material eine ausreichende Doppelbrechung besitzt, um eine Phasenanpassung bei geeigneten Temperaturen für Wellen mit einer Vielzahl von Frequenzbeziehungen zu ermöglichen. Dieses Material hat einen akustooptischen Koeffizienten einer für seine Verwendung in Modulatoren, Ablenkein richtungen, Q-Spoilern usw. geeigneten Grösse. Frühere
Schwierigkeiten, die mit Kristallbaufehlern oder anderen, zum Teil auf Strukturen mit einer Vielzahl von Domänen bezogenen Streuungsformen zusammenhingen, konnten durch eine Reihe von auf intensiven Studien basierenden Entwick lungen überwunden werden.
Ein Haupthindernis für die kommerzielle Verwendung dieses in anderer Hinsicht exzellenten Materials besteht in einem Phänomen, das häufig als Strahlungsschäden oder Laserschäden bezeichnet wird. Es wurde beobachtet, dass die Bestrahlung von LiNbO3-Proben bei in den angegebenen
Anwendungsfällen üblichen Strahlungsintensitäten Streuzentren hervorruft, welche zunächst die effektive Ausnutzung verschlechtern und sie schliesslich unmöglich machen. Vergleiche Applied Physics Letters 9, 72 (1966). Derartige Streuzentren werden örtlichen Inhomogenitäten des Brechungsindexes zugeschrieben, die sich während des Betriebes der Einrichtung entwickeln und verschieben.
Obwohl das Phänomen zeitabhängig ist, können übliche Grössen, die sich selbst bei Verwendung von Dauerstrichbetriebslasern relativ geringer Leistung ergeben, einen Kristall innerhalb einer Zeit von etwa einer Sekunde unbrauchbar machen.
Ähnliche Schäden, die bei dem Material LiTaO3, einem Material, das in erster Linie wegen seiner linearen und nicht seiner nichtlinearen Effekte brauchbar ist, beobachtet wurden, können durch Temperung bei angelegtem Feld vermieden werden. Diese Methode, bei der das Material bei erhöhter Temperatur über längere Zeit einem elektrischen Feld ausgesetzt wird, hat die Nutzbarmachung dieser Zusammensetzung ermöglicht. Da LiTaO3 Einzeldomänenstruktur für die meisten Anwendungsfälle haben muss und diese Bedingung durch herkömmliches Poling (die kristalline Probe wird unter Temperaturabfall vom ferroelektrischen Curie Punkt einem elektrischen Feld ausgesetzt) erfüllt ist, hat es sich als zweckmässig erwiesen, die Temperung bei angelegtem Feld einfach durch Verlängerung der Poling-Dauer durchzuführen.
LiTaO3 wird in herkömmlicher Weise bei angelegtem Feld bei Temperaturen in der Grössenordnung von 500 bis 700" C getempert (die Temperaturen schwanken um den ferroelektrischen Curie-Punkt von etwa 620 > C). Gestützt auf die Beobachtung. dass die notwendige effektive Behandlungsdauer durch Erhöhung der Temperatur innerhalb dieses Bereichs unter Berücksichtigung der für die Schäden als ursächlich angenommenen Mechanisman (einschliesslich ionischen Verunreinigungen) verringert wurde, wird die Temperung von LiTaO3 bei angelegtem Feld üblicherweise bei oder oberhalb der Curie-Temperatur durchgeführt. Vergleiche 38 Journal of Applied Physics 3109 (1067).
Sehr kurz nach der Erkenntnis, dass Strahlungsschäden in LiTaO3 durch Temperung bei angelegtem Feld reduziert oder minimalisiert werden können, wurden ähnliche Massnahmen bei LiNbO3 versucht. Es wurden viel geringere Verbesserungen bezüglich der Schadenresistenz bei derartiger Behandlung beobachtet. Vergleiche 38 Journal of Applied Physics 3109 (1967), 41 Journal of Applied Physics 3278 (1970) und 40 Journal of Applied Physics 3389 (1969). Weder die Feldtemperung noch ein anderes Verfahren ergab ein ausreichend strahlungsresistives LiNbO3 für üblichen Betrieb.
Zu dieser Zeit wurde beobachtet, dass Strahlungsschäden durch Betrieb von LiNbO3-Einrichtungen bei erhöhter Temperatur (z. B. bei oder oberhalb von etwa 200 > C) ausgetempert oder vermieden werden können. Es wurde daher angestrebt, LiNbO3-Materialien mit für eine Verwendung bei derartigen Temperaturen geeigneten Einrichtungseigenschaften zu entwickeln [vgl. Applied Physics Letters 12, 92 (1968), und Applied Physics Letters 17, 104 (1970)]. Der einzige beschriebene parametrische Oszillator für Dauerstrichbetrieb wurde bei einer solchen Temperatur betrieben, vgl. Applied Physics Letters 17, 497 (1970).
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von Einkristallen anzugeben, welche Einkristalle gegen
Strahlungseinflüsse beträchtlich unempfindlicher sind als bis her bekannte Einkristalle dieser Art.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch gekenn zeichnet, dass der Eisengehalt der Ausgangsbestandteile der
Schmelze und derjenige des mit der Schmelze in Berührung kommenden festen Behälter- bzw. Tiegelmaterials auf einen
Wert von maximal einem Teil pro Million, auf der Basis des gesamten kationischen oder atomaren Gehalts, und der Eisen gehalt aller Feststoffteile, einschliesslich der Konstruktions elemente, in der Heizzone auf einen Maximalwert von 10 Teilen pro Million auf derselben Basis begrenzt werden und dass während des Temperns eine Verunreinigung des Einkristalles mit Eisen über 10 Teile pro Million hinaus vermieden wird.
Wie sich aus der nachstehenden Beschreibung ergibt, führt die Minimalisierung von Eisen-Störstoffen, die für eine beträchtliche Verringerung der Schäden ursächlich ist, wenigstens gegenwärtig zu Kristallen, welche durch Behandlung mit wenigstens einem der beiden Temperungsprozesse beträchtlich verbessert werden können.
Die Verwendung der erfindungsgemäss hergestellten Einkristalle führt zum ersten Mal zu praktischem Langzeit Betrieb (mehr als 1 Sekunde), sowohl von linearen als auch nichtlinearen Einrichtungen bei Temperaturen unterhalb 100" C. Von besonderer Bedeutung ist die Möglichkeit des Dauerstrichbetriebs parametrischer Oszillatoren. Ebenfalls von Bedeutung ist die Tatsache, dass die Gesamtheit der Einrichtungen, für die LiNbO3 von Interesse ist, bei niedrigen Temperaturen betrieben werden können. Diese Einrichtungen umfassen alle oben angegebenen Einrichtungen, d. h.
elektrooptische Modulatoren, die amplituden-, frequenz- oder phasenänderungsabhängig arbeiten; akustooptische Einrichtungen, die als Q-Spoiler, Modulatoren, Ablenkeinheiten, Abtaster und optische Filter dienen; und nichtlineare Einrichtungen, wie harmonische Generatoren, Abwärtswandler (sowohl entartete als auch nichtentartete), parametrische Oszillatoren, Verstärker usw.
Die Bedeutung der Strahlungsschäden wächst mit der Frequenz und stellt ein ernstes Problem bei Wellenlängen unterhalb von etwa 0,65,u Ic dar. Einrichtungen, die bei Be- trieb Wellenlängen unterhalb von 0,65 u ausgesetzt werden, haben daher eine besondere Bedeutung.
Im folgenden ist das erfindungsgemässe Verfahren anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht auf einen elektrooptischen Modulator mit einem erfindungsgemäss hergestellten Kristall,
Fig. 2 eine schematische Ansicht auf eine einen Einkristall verwendende nichtlineare Einrichtung,
Fig. 3 eine schematische Ansicht auf eine Vorrichtung mit einer Form einer einen erfindungsgemäss hergestellten Einkristall verwendenden parametrischen Einrichtung,
Fig. 4 eine schematische Anischt auf eine Vorrichtung mit einer Form einer parametrischen Einrichtung, die eine Alternative zu derjenigen nach Fig. 3 darstellt,
Fig. 5 eine teilweise geschnittene schematische Ansicht auf einer Bragg-Ablenkeinheit, bei der ein erfindungsgemäss hergestellter Einkristall als operatives Element Verwendung findet, und
Fig.
6 eine schematische Ansicht auf ein einen erfindungsgemäss hergestellten Einkristall verwendendes akustooptisches Filter.
Die Grundzusammensetzung der hier behandelten Materialien, die mit der Nennformal LiNbO3 bezeichnet sind, kann und wird gewöhnlich auch etwas von der angegebenen Stöchiometrie abweichen. Bekanntlich kann eine derartige Abweichung bzw. Änderung erwünscht sein, so z. B. zum Beschleunigen des Wachstums; für diesen Fall stimmt die kongruente Zusammensetzung genauer mit der Formel (Li2O)0,486 (Nb2O5)0,514 überein. Eine Abweichung von der Stöchiometrie kann auch zum Zwecke der Einstellung der kristallinen Doppelbrechung eingeführt werden, um eine gewünschte Phasenanpassungszusammensetzung bei einer geeigneten Temperatur zu schaffen. Für diese Zwecke hat es sich als zweckmässig erwiesen, die Zusammensetzung über den durch die Formel (Li2O)0u44¯0ss (Nb205)0,56-0,5 angegebenen Bereich zu ändern.
Wo es die gewünschten Betriebsbedingungen zulassen, ist die kongruente Zusammensetzung vorzuziehen, da Kristalle dieser Zusammensetzung in der Regel von der höchsten optischen Güte sind. Innerhalb des angegebenen Bereichs führten Lithium/Niob-Verhältnisse kleinerer Werte als diejenigen der kongruenten Zusammensetzung zu einer Verringerung der Doppelbrechung und daher zu einer nichtlinearen Einrichtung, welche eine unkritische Phasenanpassung mehrerer eng bezogener Wellenlängen ermöglicht, während die Vergrösserung des Lithium/Niob-Verhältnisses den entgegengesetzten Effekt hat.
In Band 17, Applied Physics Letters, Seite 104 (1970), wird der Zusatz von Magnesium zum Lithiumniobat-Kristall zu dem Zweck beschrieben, die Doppelbrechung zu vergrössern und dadurch eine Phasenanpassung für eine vorgegebene Gruppe von Wellenlängen bei höherer Temperatur zu ermöglichen. Während der Zweck dieser Massnahme nach der angegebenen Druckschrift darin bestand, einen Betrieb bei einer ausreichend hohen Temperatur unter Vermeidung von Strahlungsschäden zu ermöglichen, kann dieselbe Art der Modifikation der Zusammensetzung zur Änderung der Doppelbrechung und daher der Phasenanpassungsbedingungen bei niedrigeren Temperaturen benutzt werden, wie dies erfindungsgemäss in Betracht gezogen wird. Zu diesem Zweck kann Magnesium in Mengen bis zu 1% des gesamten Kationengehalts zugesetzt werden.
Andere Zugabematerialien können in ähnlicher Maximalmenge zu diesem Zweck zugegeben werden. Demgemäss kann die erfindungsgemäss vorgesehene Zusammensetzung so beschrieben werden, dass sie aus mindestens angenähert 99 Gewichtsprozent (Li2O)0,44¯0,s (Nb2Os)0fs6 0,5 besteht.
Lithiumniobat-Kristalle werden allgemein aus einer Schmelze gezüchtet, die gewöhnlich aus den Ausgangsbestandteilen Li2CO3 und Nb2O5 geschmolzen wird. Derartige Ausgangsbestandteile stehen bei Gesamteisenanteilen in der Grössenordnung von 1 Teil pro Million oder weniger zur Verfügung. Diese Ausgangsbestandteile werden gewöhnlich mit Hilfe einer Kugelmühle oder anderer eisenenthaltende Schleifflächen benutzender Vorrichtungen vermahlen. Nach dem Mahlen schliesst sich eine Reihe von Sinter- und erneuten Vermahlschritten an, bis die vollständige Reaktion erreicht ist. Nach der Reaktion wird das Produkt geschmolzen und ein Kristall in der Regel mit der Czochralski-Methode gezüchtet.
Teil der Erfindung bildet die Erkenntnis, dass diese Reihe von Behandlungsschritten, wie sie gewöhnlich praktiziert wird, zu einer beträchtlichen Zunahme des Eisengehalts, häufig wenigstens um eine Grössenordnung (von 10 Teilen pro Millionen zu 100 Teilen pro Million beim endgültigen Kristall) führt.
Demgemäss werden die Ausgangsbestandteile von gewöhnlich hoher Reinheit (in der Grössenordnung von einem Teil pro Million Eisen) in solcher Weise behandelt, dass eine weitere Eisenverunreinigung minimalisiert wird. Geeignete Verfahrensschritte können der angegebenen Mahlund Sinterfolge folgen, wobei jedoch eisenfreie Schleifflächen (Achat wurde als geeignet gefunden) verwendet werden und eine Verunreinigung während der Erwärmungsschritte vermieden wird. In diesem Zusammenhang wurde festgestellt, dass gewöhnliche Tonerde oder andere keramische Trägerelemente oder irgendwelche eisenenthaltende Stoffe, die sich in der erwärmten Ofenzone befinden, beträchtlich zu einer Zunahme des Eisenanteils in der endgültigen Zusammensetzung beitragen.
Ein einfacher Ersatz von keramischen Trägerelementen durch Saphir- oder Kieselerdeträger führt zusammen mit den anderen Vorsichtsmassnahmen zu einem kristallinen Endprodukt mit einem Gesamtkristallgehalt in der Grössenordnung desjenigen der Ausgangsbestandteile (z. B. 1 Teil pro Million).
Ein alternativer Prozess vermeidet das Mahlen und Sintern und bewirkt eine direkte Reaktion der Ausgangsbestand teile innerhalb eines nichtverunreinigenden Behälters, von dem aus die Kristallisation direkt stattfinden kann. Eine solche Reaktion muss notwendigerweise wegen der Entwicklung von Gasen, wie Kohlendioxid, sehr langsam ausgeführt werden.
Die Feststellung und Minimalisierung von verunreinigenden Einflüssen während der Behandlung bildet einen wesentlichen Gesichtspunkt bei der Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens. Die Erkenntnis, dass eine Zunahme des Eisengehaltes während der normalen Behandlung bzw. Herstellung auftritt, war zusammen mit den hier angegebenen Beobachtungen und mechanistischen Erläuterungen die Voraussetzung für die Angabe der Kristallisationsprozesse, welche eine Eisenverunreinigung vermeiden. Der erste Aspekt der Erfindung betrifft daher die Minimalisierung des Eisengehalts im Kristall durch (a) Verwendung von hochreinen Ausgangsstoffen (Eisengehalt nicht grösser als etwa 1 Teil pro Million) und (b) Behandlung solcher Ausgangsmaterialien zur Herstellung des kristallinen Produkts in solcher Weise, dass eine spätere Einführung von Eisen im wesentlichen vermieden wird.
Im Hinblick auf (b) muss die Verwendung von Bauteilen aus üblichen Keramikmaterialien, welche Hunderte oder Tausende von Teilen pro Million Eisen enthalten können, innerhalb der warmen Ofenzone vermieden werden. Alternative Materialien, die sich als geeignet erwiesen haben, umfassen Kieselerde, Quarz, Saphir, hochreines Magnesiumoxid oder andere Materialien, deren Eisengehalt generell bei 10 Teilen pro Million oder niedriger liegt. Das Behältermaterial, das mit der Schmelze in Berührung kommt, muss in bezug auf Eisen eine sehr hohe Reinheit besitzen. Ein in dieser Hinsicht zulässiger Anteil ist nicht grösser als etwa 1 Teil pro Million. Bis zu einem gewissen Mass kann der Eisengehalt des Behältermaterials durch die Getterwirkung einer Lithiumniobat-Ausgangsschmelze reduziert werden, die dann ausgeschieden wird.
Auf diese Weise kann die mit der Schmelze in Berührung stehende Behälteroberfläche bis zu dem erforderlichen Anteil von 1 Teil pro Million Eisen während des Züchtigungsprozesses gereinigt werden.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft einen Temperungsprozess. Ein derartiger Prozess wird notwendigerweise über einen Temperaturbereich ausgeführt, der wesentlich unterhalb des ferroelektrischen Curie-Punkts, d. h. unterhalb einer Temperatur von 7000 C liegt. Es wird angenommen, dass die Unwirksamkeit des Temperns bei Temperaturen wesentlich oberhalb von 700" C auf das Ansteigen des Gleichgewichtsverhältnisses von Fe2+ zu Fe3+ mit steigender Temperatur zurückzuführen ist. Das während des Wachstums in die Zusammensetzung eingeführte Fe2+ wird daher während des Temperns bei derartig hohen Temperaturen wahrscheinlich nicht in Fe3 + umgewandelt.
Unterhalb von Temperaturen von 700" C führt das Tempern in sauerstoffhaltigen Atmosphären, z. B. in Luft, zum Umsetzen eines wesentlichen Anteils von Fe2+ in Fe3+ (gemessen durch optische Absorption und auch durch paramagnetische Elektronenresonanz). Tatsächlich führt ausreichendes Tempern zu wasserklaren Kristallen, wodurch die Indikation für im wesentlichen vollständige Umwandlung gegeben ist. Resonanzmessungen, welche empfindlicher sind, zeigen weitere Umwandlung von Fe2+ in Fe3 + beim Tempern an, und zwar selbst in Kristallen, welche keine merkliche Absorption zeigen.
Die Mindesttempertemperatur, die sich für diese Zwecke als geeignet erwiesen hat, liegt bei etwa 500 C, und die Mindestzeit für eine merkliche Verbesserung beträgt mehr als 30 Minuten. Zwar können niedrigere Temperaturen verwendet werden, jedoch werden die Behandlungszeiten dadurch beträchtlich vergrössert. Über einen Bereich von 500 bis 700" C betragen die bevorzugten Mindestbehandlungsdauern etwa 1 Stunde bei 700" C, 10 Stunden bei 600" C und 100 Stunden bei 500 C. Obwohl es keine absoluten Maximalzeiten gibt, scheint das Gleichgewicht bei Behandlungsdauer in der Grössenordnung von 5 Stunden, 50 Stunden bzw.
500 Stunden bei 700, 600 bzw. 500 C im wesentlichen erreicht zu sein.
Wie aus den Beispielen zu sehen ist, reicht die Verwendung dieses Temperungsprozesses in Verbindung mit einen geringen Eisenanteil enthaltenden Materialien aus, um einen Grad der Resistenz gegen Schäden zu gewährleisten, der unter vielen Einrichtungsbedingungen einen Betrieb bei Zimmertemperatur ermöglicht.
Eine noch weitergehende Verbesserung der Beständigkeit gegen Strahlungsschäden wird durch eine zusätzliche Temperung bei angelegtem elektrischem Feld erzielt. Dieser Prozess wird über den gleichen Temperaturbereich wie die Temperung ohne elektrisches Feld durchgeführt, nämlich zwischen 500 und 700" C. Die Temperung bei angelegtem Feld wird unter Verwendung einer Stromdichte von wenigstens 1 Milliampere pro Quadratzentimeter Querschnitt orthogonal zur Stromflussrichtung durchgeführt. Ein solcher Stromdurchgang erfolgt durch Anlegen eines Feldes der Grössenordnung von 100 Volt pro Zentimeter. Die Elektrodenmaterialien sind allgemein unkritisch mit der Ausnahme, dass sie natürlich keine Eisenverunreinigungen einführen sollen. In dieser Hinsicht haben sich Platinelektroden als zufriedenstellend erwiesen.
Die Temperungszeiten liegen zwischen etwa 5 und 30 Minuten. Die Minimalzeit ist für eine messbare Verbesserung erforderlich, während das Überschrei ten der Maximalzeit zu einer Verschlechterung der Kristallgüte, z. B. durch Einführen von Material von der Anode her oder durch Extraktion von Wird-Kationen von der Kathode, führen kann. Dieser Bereich ergab sich als zweckmässig für eine Probenlänge in der Grössenordnung von 2 mm. Die Analyse von Elektroden ergab eine tatsächliche Entfernung von Eisen während des Feldtemperns, obwohl ein Sekundäreffekt das Erreichen des Gleichgewichtsverhältnisses von Fe2+ zu Fe3 + bewirkt, insbesondere, wenn nur eine Feldtemperung allein ausgeführt wird. Da der Effekt in erster Linie auf die tatsächliche Ionendrift zurückgeht, richten sich die erforderlichen Spannungen nach der Einheitslänge.
Obwohl die vorgeschriebenen Werte zeitabhängig sind, wird ein zweckmässiger Bereich von 10 bis 1000 Volt pro Zentimeter angegeben. Eine Temperung durch angelegtes Feld ergibt eine beträchtliche Verbesserung bei Material mit geringem Eisenanteil. Ergebnisse werden jedoch erzielt, wenn sie in Verbindung mit einer Temperung ohne angelegtes Feld durch geführt wird.
Die wahrscheinlichste Erklärung für die Schäden in Lithiumniobat hängt von einer Valenzänderung der Eisenionen während des Betriebs ab. Bei üblichem Betrieb hat der zu verarbeitende elektromagnetische Strahl eine uneinheitliche Intensität über den Kristall in einer zur Strahlenbahn orthogonalen Richtung. Üblicherweise ist der Zentralbereich des Strahls von der höchsten Intensität, und es werden bevorzugt die in den am stärksten bestrahlten Bereichen des Kristalls gelegenen Fe2+-Ionen erregt. Solche erregten Ionen können dann Elektronen freisetzen, wobei sie in Fe3 + umgewandelt werden. Die auf diese Weise freigesetzten Elektronen werden von anderen Fe3 + -Ionen in den weniger stark bestrahlten Zonen des Kristalls eingefangen, wobei diese Ionen ihrerseits in Fe2+ umgesetzt werden.
Als Gesamteffekt ergibt sich eine Verteilungsänderung der Fe2+-Ionen, mit dem Ergebnis, dass durch den elektronischen Effekt eine Neubildung und Umverteilung von örtlichen Brechungsindexinhomogenitäten hervorgerufen wird.
Die folgenden Beispiele betreffen die Verwendung einer besonders empfindlichen Methode zur Bestimmung der meisten Niveaus von Fe2+. Zweiwertige Eisenionen-Niveaus, die erfindungsgemäss hergestellt werden, liegen unterhalb derjenigen, welche mit herkömmlichen optischen Absorptionsmethoden oder mit parametrischen Messungen bei Zimmertemperatur bestimmbar sind. Da solche Niveaus bzw.
Anteile bei dem Einrichtungsbetrieb Bedeutung haben, wurde es notwendig,. eine empfindlichere Methode zu entwickeln. Mit dieser Methode werden örtliche Brechungsindexänderungen einfach durch Messung der durch Streuung unter einem vorgegebenen Winkel von der Strahlachse hervorgerufenen Lichtintensität bestimmt. Diese Methode ist von besonderer Bedeutung, da sie die genaue Bedingung simuliert, welche bei der in Betrieb befindlichen Einrichtung aus Laser-Schäden resultiert. Die für diese Testmethode verwendete Terminologie ist der Beugungswirkungsgrad.
Der Wert des Beugungswirkungsgrades, der in jedem Falle angegeben wird, ist ein Sättigungswert , d. h. die Messung wird nach einer ausreichenden Bestrahlung vorgenommen, um unter den gegebenen Betriebsbedingungen die Maximalschädigung zu erreichen. Der für die Messungen verwendete Testlaserstrahl erzeugte eine Intensität von etwa 10 Watt pro cm2 bei 5145 . Zum Vergleich: alle im Zusammenhang mit den Beispielen verwendeten Abschnitte hatten eine Dicke von 0,2 cm in der Strahl-Fortpflanzungsrichtung. Es ist möglich, diesen Wert entweder in die Brechungsindexänderung (ursächlich für die Streuung) oder den Fe2+-Gehalt (unter der Annahme des vorausgesetzten Mechanismus) umzusetzen.
Beispiel 1
Es wurde ein kristalliner Abschnitt verwendet, der aus einer kongruenten Zusammensetzung geschnitten wurde, welche aus Ausgangsmaterialien mit einem Eisengehalt von etwa 1 Teil pro Million hergestellt wurde, wobei herkömmliche Vermahlungs- oder Sinterungsmethoden unter solchen Bedingungen verwendet wurden, dass der Eisengehalt auf etwa 10 Teile pro Million im Kristall-Endprodukt erhöht wurde. Der Beugungswirkungsgrad betrug 0,2 %. Die Einbeziehung eines solchen Kristalls in eine der dargestellten Einrichtungen führte bei einer Strahlintensität von 10 Watt pro cm2 bei Zimmertemperatur zu einem unzulässigen Schädigungspegel innerhalb einer Zeitspanne von 1 Minute oder weniger.
Beispiel 2
Die Probe nach Beispiel 1 wurde in Luft bei 600" C über eine Dauer von 50 Stunden getempert. Der Beugungswirkungsgrad betrug 0,02 %. Der Einsatz einer derartigen kristallinen Probe in einer elektrooptischen Einrichtung wie derjenigen gemäss Fig. 1 bei einer Laserleistung von 10 Watt pro cm2 ermöglicht einen Betrieb über eine Dauer von wenigstens 1 Stunde ohne merkliche Schäden in solchem Masse, dass der Einrichtungsbetrieb ernsthaft beeinträchtigt wird.
Beispiel 3
Die Probe nach Beispiel 2 wurde bei 600" C in Luft über 15 Minuten getempert bei angelegtem Feld, wobei die Stromdichte 5 Milliampere pro Quadratzentimeter betrug. Der Beugungswirkungsgrad betrug 0,007%. Ein in einer Einrichtung wie diejenige gemäss Fig. 1 eingesetzter Abschnitt ermöglicht bei einem Leistungspegel von 30 Watt pro cm2 einen über eine Zeitspanne von wenigstens 1 Stunde bei Zimmertemperatur fortgesetzten Betrieb ohne eine für eine ernsthafte Verschlechterung des Betriebs der Einrichtung ausreichende Schädigung.
Beispiel 4
Eine kristalline Probe wurde aus den gleichen Ausgangsbestandteilen wie diejenigen gemäss Beispiel 1 hergestellt, jedoch durch direkte Reaktion innerhalb eines PlatinSchmelz- tiegels und durch Züchtung in einer Kammer, bei der alle erwärmten Elemente einen Eisengehalt von 10 Teilen pro Million oder weniger hatten. Der Beugungswirkungsgrad betrug 0,010%. Die Operationsweise der Einrichtung ist ähnlich derjenigen des Beispiel 3.
Beispiel 5
Die Probe nach Beispiel 4 wurde in Luft bei 600" C für 50 Stunden getempert. Der Beugungswirkungsgrad betrug weniger als 104% (unterhalb der Grenze der zur Verfügung stehenden Messmöglichkeiten). Der Einsatz eines solchen Materials in einen parametrischen Oszillator, beispielsweise der in Fig. 3 gezeigten Ausbildung, ermöglicht einen Betrieb bei Zimmertemperatur mit einem brauchbaren Intensitätspegel von 1 Watt der Pumpstrahlung (etwa 100 kW/cm2 am Brennpunkt im LiNbO3-Kristall), mit einer Pumpwellenlänge von 5145 Ä bei nichtentartetem Betrieb.
Die Einrichtung nach Fig. 1 ist repräsentativ für die LiNbO3 als lineares Materiallverwendende Klasse, wobei der betreffende Effekt des Materials wenigstens über einen gewissen Bereich von der Grösse des den Effekt hervorrufenden Einflusses linear abhängig ist. Die in dieser Figur dargestellte besondere Einrichtung ist eine Art eines elektrooptischen Modulators. Der elektrooptische Modulator 1 besteht aus einem gemäss dem nachstehend beschriebenen Verfahren hergestellten Einkristall. In einer bevorzugten Anwendung kann ein Kristall in der gezeigten Orientierung geschnitten werden (eine kurze Dimension, über der das Feld angelegt wird, verläuft in Richtung der c-Achse). Die folgenden Abmessungen können beispielsweise verwendet werden: 2,5 mm Höhe und Dicke und 10,2 mm Länge.
Elektroden sind an den Oberflächen 2 und 3 angebracht, an die eine Spannungsquelle 4 zum Modulieren des Trägers angelegt wird. Der Körper 1 liegt zwischen einem Paar gekreuzter Polarisatoren 5 und 6, deren Polarisationsrichtungen unter + 45 und -45" zur c-Achse des Körpers 1 orientiert sind. Eine Vorspanneinrichtung 7, die beispielsweise als Quarzkeil ausgebildet sein kann, wird zur Einstellung der Extinktion oder des erforderlichen relativen Transmissionsgrades entsprechend der gewünschten Operationsart verwendet. Ein Strahl 8 einer elektromagnetischen Strahlung, z. B. von einem Helium Neon-Laser, wird in der dargestellten Weise übertragen. Eine Linse 9 dient zum Fokussieren des Strahles im Inneren des Körpers 1, und eine Linse 10 wird zum Fokussieren des austretenden Strahles benutzt.
Selbstverständlich stellt die Fig. 1 nur eine mögliche Verwendung des Einkristalles dar. Es ist üblich, elektrooptische Einrichtungen in solcher Weise zu betreiben, dass die Frequenz oder die Phase anstelle der Amplitude moduliert wird und dass auch ein Rücklauf-Transmissionswegverwendet wird.
Die Frequenz- und Phasenmodulation werden zweckmässigerweise dadurch erreicht, dass die Polarisationsebene des einfallenden Strahls 8 mit der Hauptachse zusammengelegt wird, welche ihrerseits entweder orthogonal oder parallel zur Richtung des angelegten Feldes verläuft.
In Fig. 2 ist ein Einkristallkörper 11 aus LiNbO3 dargestellt. Die kristallographische Orientierung des Körpers ist in der Figur gezeigt. Ein kohärenter elektromagnetischer Strahl 12, der von der Quelle 13 erzeugt wird, wird in den Körper 11 in der dargestellten Weise eingeführt. Der sich ergebende austretende Strahl 14 wird sodann durch ein Filter 15 geleitet und von einer Einrichtung 16 bestimmt. Im Falle eines Generators für die zweite Harmonische (SHG) ist der Strahl 12 von einer Grundfrequenz, während der austretende Strahl 14 zusätzlich eine Welle einer der zweiten Harmonischen des Strahls 12 entsprechenden Frequenz enthält. Das Filter 15 ist so aufgebaut, dass es nur die in Betracht kommende Welle durchlässt, die im SHG-Falle diejenige der Harmonischen ist. Die Einrichtung 16 misst nur denjenigen Teil des Strahls, der das Filter 15 verlässt.
Die in Fig. 2 dargestellte Einrichtung kann in ähnlicher Weise als Drei-Frequenz-Einrichtung angesehen werden, wobei der Strahl 12 zu mischende Frequenzen enthält oder aus einer Pumpfrequenz besteht. Unter diesen Bedingungen enthält der Anregungsstrahl 14 Signal- und Idler-Frequenzen sowie die Pumpfrequenz, welche drei bestimmte Werte für nichtentarteten Betrieb darstellen. Für jeden Betrieb, ob zwei oder drei Frequenzen, wird der Wirkungsgrad durch Resonanz vergrössert. Dies kann durch Beschichten der Oberfläche des Kristalls 11, durch den der Strahl ein- und austritt, geschehen. Dieser Überzug kann teilreflektierend nur für eine erzeugte Frequenz, z. B. für die Harmonische im SHG sein.
Für den Drei-Frequenz-Fall ist es erwünscht, die beiden erzeugten Frequenzen zu unterstützen. In den meisten Fällen kann dies nicht durch Beschichten der Kristallfläche erfolgen, und es ist notwendig, wenigstens einen mit Abstand angeordneten, einstellbaren Spiegel vorzusehen, der in einer solchen Entfernung von der Fläche des Kristalls 11 angeordnet ist, dass die in Betracht kommenden Frequenzen unterstützt werden. Gleichzeitige Unterstützung der Pumpfrequenz kann in ähnlicher Weise erfolgen. Jedoch ist die dadurch hervorgerufene Komplizierung nur dann gerechtfertigt, wenn es das Pumpniveau erfordert.
Die Kristallorientierung, die als Anfangsposition für den Kristall 11 bei der Vorrichtung gemäss Fig. 2 gezeigt ist, eliminiert den zuvor behandelten Effekt der Doppelbrechung.
Dieser Winkel kann beim Betrieb entweder in entarteten oder nichtentarteten Moden für einen grossen Bereich von Bedingungen z. B. einfach durch Temperatursteuerung aufrechterhalten werden.
Fig. 3 zeigt eine parametrische Einrichtung mit grösserer Genauigkeit als Fig. 2. Bei der dargestellten Einrichtung bilden gekrümmte Spiegel 21 und 22 zusammen mit einem Laser-Oszillator 23 und einem SHG-Element 24 eine kohärente Lichtquelle mit einer Ausgangsfrequenz, welche eine Maximalgrenze für die Ausgangsfrequenz des parametrischen Elementes setzt. Obwohl ein SHG-Element 24 im Prinzip nicht erforderlich ist, stellt seine Verwendung ein wirksames Mittel zur Erzeugung kohärenter Strahlung bei einer sichtbaren Frequenz aus einer Festkörperquelle dar. Da die LiNbO3parametrische Einrichtung einen niedrigen Schwellenwert hat. ist sie geeignet, mit Quellen anderer sichtbarer Frequenzen, z. B. einem Gaslaser, zu arbeiten, wodurch die Notwendigkeit für ein SHG-Element 24 entfällt.
Der derzeit zumindest für Dauerstrichbetrieb wirksamste Festkörper-Laser ist der Neodym-dotierte Yttrium-Aluminium-Granat. Bei diesem Beispiel ist der anfängliche Laserbetrieb bei 10640 Â, so dass die das Element 22 verlassende SHG-erzeugte Strahlung die zweifache Frequenz, alsc eine Wellenlänge von 5320 Ä hat. Das einzige Erfordernis für die die Elemente 21 bis 24 umfassende Struktur oder deren Ersatz besteht darin, dass sie über einen Frequenzbereich arbeiten muss, innerhalb dessen LiNbO3 im wesentlichen durchlässig ist.
Wie angegeben liegt dieser Bereich zwischen etwa 60 000 Ä und 3500 . Da die meisten parametrischen Einrichtungen zu einer Abwärtswandlung führen, werden die Pumpquellen zweckmässigerweise eher nahe der kürzeren Wellenlängengrenze als der längeren betrieben.
Es wurde angegeben, dass das Pumpen so erfolgen kann, dass ein SHG-Element 24 nicht erforderlich ist. Bei anderen Anordnungen kann es wünschenswert sein, eine höhere Harmonische zu verwenden. Eine beschriebene Methode besteht darin, ein zusätzliches SHG-Element einzubeziehen.
Ein wesentlicher Gesichtspunkt von LiNbO3-Einrichtungen besteht darin, dass sie im Dauerstrichbetrieb arbeiten können. Trotzdem ist der Impulsbetrieb nicht ausgeschlossen.
Demgemäss kann die Pumpquelle aus einem gepulsten Laser bestehen.
Die den teilreflektierenden Spiegel 22 durchlaufende kohärente Emission wird sodann von der Linse 25 derart fokussiert, dass sie einen Brennpunkt innerhalb des parametrischen Oszillator-Resonators erreicht, zu dem die Elemente 26 und 28 gehören. Das Element 26 ist ein Kristall des LiNbO3, der an der Oberfläche 27 mit einem dielektrischen Überzug beschichtet ist, der bei der Pumpfrequenz einen hohen Transmissionsgrad besitzt. Der Oszillator-Resonator ist durch den Überzug 27 und durch einen hiervon getrennten, gekrümmten Spiegel 28 definiert, welch letzterer ebenfalls mit einem dielektrischen Überzug angenähert derselben Eigenschaften wie der Überzug 27 versehen ist. Die Innenfläche des Oszillatorkristalls 26 ist ebenso wie die nichtre flektierenden Innenflächen der Elemente 23 und 24 in der Ausbreitungsrichtung mit einem Antireflexionsüberzug versehen.
Fig. 4 zeigt eine alternative Einrichtung, deren Elemente 30, 33, 34, 32, 35 und 36 dieselben Funktionen wie die Elemente 21, 23, 24, 22, 25 und 26 der Ausführungsform nach Fig. 3 erfüllen. Die Anordnung nach Fig. 4 unterscheidet sich von derjenigen nach Fig. 3 in dem Ersatz der flachen reflektierenden Oberfläche 27 durch einen gekrümmten Spiegel 37 und des gekrümmten Spiegels 28 durch einen flachen Spiegel 39. Alternative Anordnungen, die beispielsweise eine oder mehrere mit dem Kristall einteilige gekrümmte Reflexionsflächen verwenden, liegen für den Fachmann auf der Hand.
Die Einrichtung nach Fig. 5 ist eine Bragg-Ablenkeinheit, welche aus einem akustooptischen Element 41 aus LiNbO3 und einer Quelle 42 für elastische Wellen besteht. Die Quelle 42 kann durch einen piezoelektrischen Wandler beispielsweise aus Lithiumniobat gebildet sein und ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel mit Elektroden 43 und 44 ausgestattet, die an eine Wechselstrom- oder Modulationsquelle 45 angeschlossen sind. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Körper 41 mit optisch polierten Oberflächen 46 und 47 versehen. Diese Oberflächen können ebenfalls mit durchlässigen Überzügen versehen sein, um sie zu schützen und/oder Reflexionsverluste zu minimalisieren.
Bei Betrieb wird ein Strahl 48 einer elektromagnetischen Strahlung (welche von einem nicht dargestellten Linsensystem fokussiert oder defokussiert sein kann) mit einer Wellenlänge innerhalb der Durchlässigkeitsbandbreite von LiNbO3 unter einem Winkel e gegenüber der Ausbreitung der elastischen Wellenfronten, die schematisch mit 49 bezeichnet sind, eingeführt (nach einer Brechung an der Oberfläche). Während ein Teil des Strahls 48 den Körper 41 durchläuft und als Strahl 50 in einer mit derjenigen des Strahls 48 übereinstimmenden Richtung austritt, wird ein bestimmter Teil durch Wechselwirkung mit der elastischen Welle mit einem Winkel 2 0 abgelenkt und tritt als Strahl 51 aus.
Die schematische Ansicht nach Fig. 5 zeigt eine Einrichtung mit einer Bragg-Ablenkeinheit, bei der die einfallenden und gebeugten Strahlen unter demselben, als Bragg-Winkel bekannten Winkel zur Fortpflanzungsrichtung der elastischen Wellenfront stehen. Bragg-Ablenkeinheiten sind um einen begrenzten Winkelbereich wirksam, dessen Mitte diese Optimalorientierung ist. Die Bragg'sche Beugungsbedingung erfordert konstruktive bzw. positive Interferenz von gestreuten Lichtquellen. Diese Bedingung ist erfüllt, wenn die Strecke, welche von einer durch eine elastische Wellenfront gebeugten Lichtwelle durchlaufen wird, um eine Lichtwellen- länge grösser als die Bahnlänge einer von einer benachbarten Wellenfront gebeugten Lichtwelle ist.
Für einige Betriebsbedingungen, bei denen die Schallwellenlänge bedeutend grösser als die Lichtwellenlänge ist, kann der Beugungswinkel 20 dem Verhältnis der Lichtwellenlänge zur elastischen Wellenlänge angenähert werden. Da die elastische Wellenlänge ihrerseits gleich dem Verhältnis der elastischen Wellengeschwindigkeit zur elastischen Frequenz ist und die Geschwindigkeit in einem vorgegebenen Medium für eine vorgegebene Ausbreitungsrichtung der akustischen Welle konstant ist, ist der Beugungswinkel in erster Annäherung direkt proportional zur Frequenz der elastischen Welle. Eine Änderung dieser Frequenz erlaubt daher die Auswahl eines aus einer Vielzahl von Ablenkwinkeln. Aus dieser Beziehung wird bei einem Multipositions x, y-Ablenksystem Nutzen gezogen.
Fig. 6 stellt ein Beispiel einer Gruppe von akustooptischen Filtern dar, welche die kolineare Wechselwirkung einer akustischen stehenden Welle oder Wanderwelle und eines Strahls einer elektromagnetischen Strahlung ausnutzt. Das Wesen derartiger Einrichtungen besteht darin, dass elektromagnetische Strahlung, einschliesslich der Energie, von mehr als einer Wellenlänge so verarbeitet werden kann, dass selektiv eine oder mehrere der beteiligten Wellenlängen abgeleitet (abgelenkt, reflektiert oder durchgelassen) werden können. Derartige Einrichtungen können demgemäss als Frequenzselektoren wirken, welche fest eingestellt oder in Verbindung mit einem Breitband-Laser durchstimmbar sind oder zum Entziehen von Signalinformation benutzt werden können.
Einrichtungen dieser Art haben in der neueren Literatur einige Aufmerksamkeit gefunden, vgl. hierzu beispielsweise Band 15 Applied Physics Letters, Seite 325 (1969), und Band 17, Applied Physics Letters, Seite 223 (1970). Die angegebenen Literaturstellen geben eine vollständige Beschreibung derartiger Einrichtungen.
Die dargestellte Einrichtung, deren Funktionsweise auf der Wechselwirkung elektromagnetischer Energie mit einer akustischen Wanderwelle beruht, benutzt einen Kristall 60 aus LiNbO3, der erfindungsgemäss behandelt wurde. Dieser Kristall ist mit zwei optisch polierten Oberflächen, einer Eintrittsoberfläche 61 und einer Austrittsoberfläche 62 versehen. Der Kristall 60 weist einen Scherwellenwandler 63 aus einem piezoelektrischen Material, z. B. LiNnO3 auf.
Dieser Wandler dient zum Übertragen einer akustischen bzw.
Schallwelle unter Einfluss eines Wechselstromfeldes, das an mit einer elektrischen Einrichtung (nicht gezeigt) angebrachten Elektroden 64 und 65 angelegt ist. Die akustische Welle wird nach ihrer Erzeugung an der Grenzfläche der Elemente 63 und 60 von der Fläche 61 reflektiert, welche unter einen Winkel von 45" zur Strahl-Fortpflanzungsrichtung geschnitten ist, so dass sich die resultierende akustische Welle kolinear mit dem Strahl bewegt. Die Fläche 62 ist in ähnlicher Weise unter einem Winkel von 45" geschnitten und verläuft parallel zu der Fläche 61, so dass sie eine Reflexion der akustischen Welle in einer Richtung orthogonal zu derjenigen der Strahl-Transversalrichtung hervorruft. Ein Absorber 66 ist zur Verhinderung einer Reflexion der akustischen Welle vorgesehen.
Der eintretende Strahl, der schematisch durch einen Pfeil 67 angedeutet ist, wird durch die Fläche 61 unter einem Winkel 0 derart in den Kristall 60 eingeführt, dass die Strahlrichtung innerhalb des Kristalls 60 längs einer a-Achse (dargestellte Längsrichtung eines Kristallelements) verläuft.
Der Strahl 67 besteht notwendigerweise aus wenigstens zwei verschiedenen Strahlungswellenlängen. Er kann aus zwei kohärenten oder inkohärenten Strahlen bestehen oder ein breites Spektrum wiederum aus kohärenter oder inkohärenter Strahlung aufweisen. Der Strahl 67 durchläuft ein ebenes Polarisationselement 68. Die Betriebsweise der Einrichtung ist ähnlich derjenigen der Einrichtung nach Fig. 1, hängt jedoch bei der Erzeugung einer unverhältnismässigen Änderung des Brechungsindexes in einer von zwei orthogonal zum Strahl verlaufenden Richtungen (bei der dargestellten Einrichtung sind diese Richtungen die kristallographischen a- und c
Richtungen) von der fortschreitenden Scherwelle ab.
Bei derartigen Einrichtungen wird die effektive Rotation nur für elektromagnetische Wellenlängen und akustische Wellen längen durchgeführt, welche die erforderlichen Phasenan passungsbedingungen erfüllen; daher ruft die Einrichtung eine effektive Rotation einer gewählten Wellenlänge ent sprechend der Frequenz der von dem Element 63 erzeugten
Scherwelle hervor. Eine abschliessende Selektion wird mit Hilfe eines Analysators 69 durchgeführt, der unter einem solchen Winkel relativ zu demjenigen des Elementes 68 angeordnet ist, dass er nur den gewünschten Strahl zu übertragen gestattet. Alternative Anordnungen umfassen die Verwendung von stehenden akustischen Wellen, reflektierenden Elementen für den rechten Strahl, Parallelpolarisatoren und Analysatoren.
PATENTANSPRUCH 1
Verfahren zur Herstellung eines Einkristalles aus (Li2O)of44-os (Nb2Os)o1sSoss der bis zu 1 % seines Kationengehalts mit anderen Stoffen dotiert sein kann, bei welchem Verfahren in einem Ofen eine den Einkristall liefernde Schmelze erzeugt wird, dann der Einkristall aus der Schmelze gezüchtet und anschliessend einer Temperung unterworfen wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Eisengehalt der Ausgangsbestandteile der Schmelze und derjenige des mit der Schmelze in Berührung kommenden festen Behälter- bzw.
Tiegelmaterials auf einen Wert von maximal einem Teil pro Million, auf der Basis des gesamten kationischen oder atomaren Gehalts, und der Eisengehalt aller Feststoffteile, einschliesslich der Konstruktionselemente, in der Heizzone auf einen Maximalwert von 10 Teilen pro Million auf derselben Basis begrenzt werden und dass während des Temperns eine Verunreinigung des Einkristalles mit Eisen über 10 Teile pro Million hinaus vermieden wird.
UNTERANSPRÜCHE
1. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass als Ausgangsstoffe für die Schmelze gemahlenes und gesintertes Li2CO3 und Nb2O5 verwendet werden, deren Eisengehalt höchstens ein Teil pro Million beträgt, und dass eine Berührung der Ausgangsstoffe mit Bauteilen vermieden wird, deren Gesamteisengehalt grösser als 10 Teile pro Million auf der genannten Basis ist.
2. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die gezüchteten Einkristalle in einer sauer stoffhaltigen Atmosphäre in einem Temperaturbereich von 500 bis 700" C getempert werden.
3. Verfahren nach Unteranspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Tempern der Einkristalle innerhalb des genannten Temperaturbereichs über eine Zeitspanne von wenigstens 30 Minuten bei Fehlen eines elektrischen Feldes erfolgt.
4. Verfahren nach Unteranspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Tempern der Einkristalle innerhalb des genannten Temperaturbereichs bei Fehlen eines elektrischen Feldes über eine Minimaldauer erfolgt, welche nach der durch die folgenden Punkte definierten Beziehung temperaturbezogen ist: eine Stunde bei 700" C, 10 Stunden bei 600" C und 100 Stunden bei 500 C.
5. Verfahren nach Unteranspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Tempern der Einkristalle innerhalb des genannten Temperaturbereichs über eine Dauer von wenigstens 5 Minuten unter Anlegen eines elektrischen Feldes die Einkristalle erfolgt, wobei das Feld ausreichend stark gewählt wird, um eine Stromdichte von wenigstens 1 Milliampere pro cm2 Querschnitt hervorzurufen.
**WARNUNG** Ende DESC Feld konnte Anfang CLMS uberlappen**.
The invention relates to a method for producing a single crystal from (LiZ0) 0.44-0.5 (Nb2O5) 0.50.5, which can be doped with other substances up to 1 t'c of its cation content, in which method in one In the furnace, a melt is produced which delivers the single crystal, then the single crystal is grown from the melt and then subjected to tempering.
The development of the laser was quickly followed by research aimed at developing additional circuit elements. A substantial group of such elements depends on a type of modification of the laser radiation. In a category of devices that are sometimes viewed as linear devices, the modification may take the form of amplitude, frequency, phase, or specialty modulation, which may be fixed or dependent on the input signal. This category is of particular importance in transmission technology, in which the possibility of using the laser radiation as a broadband carrier is considered and the various modulation devices are used to introduce subcarriers and for signal modulation.
Another facility category depends on the non-linear effect (non-linear change in the size of the induced polarization relative to the signal strength). Such devices are commonly used to produce some form of frequency shift keying. Significant examples are z. B. Generators for the second and higher harmonics (SHG etc.) and parametric mixers, down converters, oscillators and modulators.
Over a period of time, probably the most significant material for both categories was KDP (potassium monophosphate). The reason for the preferred use of this material was largely that large crystalline sections with the required perfection were available and the size of the relevant coefficient, linear or non-linear, is useful.
Remarkable progress has been made in the realization. that many properties of KDP are given in improved form with lithium metaniobate (represented by the nominal formula LiNbO3), cf. Applied Physics Letters 5, 62 (1964) and Applied Physics Letters 5, 234 (1964). The resulting device properties include a nonlinear coefficient d31 that is 11 times the value of the best coefficient of KDP, an electro-optic figure of merit (n33 r33) where n3 is the index of refraction in the C direction and r33 is the relevant electro-optic coefficient equal to about 8 times that of KDP is. This new material, which is sufficiently permeable over the range of about 8 micrometers to 0.3 micrometers, has been found to be chemically and physically stable under most of the conditions under consideration.
It has been found that the material has sufficient birefringence to allow phase matching at suitable temperatures for waves with a variety of frequency relationships. This material has an acousto-optic coefficient of a size suitable for its use in modulators, deflectors, Q-spoilers, etc. Earlier
Difficulties related to crystal defects or other forms of scattering, some of which are related to structures with a large number of domains, have been overcome by a series of developments based on intensive studies.
A major obstacle to the commercial use of this otherwise excellent material is a phenomenon often referred to as radiation damage or laser damage. It was observed that the irradiation of LiNbO3 samples in the specified
Cases of application usual radiation intensities causes scattering centers, which initially worsen the effective utilization and ultimately make it impossible. See Applied Physics Letters 9, 72 (1966). Such scattering centers are attributed to local inhomogeneities of the refractive index which develop and shift during the operation of the device.
Although the phenomenon is time-dependent, common quantities that result even when using CW lasers of relatively low power can render a crystal unusable within a time of about one second.
Similar damage that has been observed with the material LiTaO3, a material that is primarily useful because of its linear and not its non-linear effects, can be avoided by annealing with an applied field. This method, in which the material is exposed to an electric field at elevated temperature for a long time, has made it possible to utilize this composition. Since LiTaO3 has to have a single domain structure for most applications and this condition is met by conventional poling (the crystalline sample is exposed to an electric field when the temperature drops from the ferroelectric Curie point), it has proven to be useful to simply anneal with the field applied by extending the Poling duration.
LiTaO3 is conventionally tempered with an applied field at temperatures of the order of magnitude of 500 to 700 "C (the temperatures fluctuate around the ferroelectric Curie point of about 620> C). Based on the observation that the necessary effective treatment time can be increased by increasing the If the temperature within this range has been reduced, taking into account the mechanism assumed to be the cause of the damage (including ionic impurities), the annealing of LiTaO3 with an applied field is usually carried out at or above the Curie temperature. Compare 38 Journal of Applied Physics 3109 (1067) .
Very shortly after the realization that radiation damage in LiTaO3 can be reduced or minimized by tempering with an applied field, similar measures were tried with LiNbO3. Much smaller improvements in damage resistance were observed with such treatment. See 38 Journal of Applied Physics 3109 (1967), 41 Journal of Applied Physics 3278 (1970), and 40 Journal of Applied Physics 3389 (1969). Neither the field annealing nor any other process resulted in a sufficiently radiation-resistant LiNbO3 for normal operation.
At that time it was observed that radiation damage can be annealed or avoided by operating LiNbO3 devices at elevated temperatures (e.g. at or above about 200> C). The aim was therefore to develop LiNbO3 materials with device properties suitable for use at such temperatures [cf. Applied Physics Letters 12, 92 (1968) and Applied Physics Letters 17, 104 (1970)]. The only described parametric oscillator for continuous wave operation was operated at such a temperature, cf. Applied Physics Letters, 17: 497 (1970).
It is the object of the invention to provide a method for producing single crystals, which single crystals against
Radiation influences are considerably less sensitive than previously known single crystals of this type.
The inventive method is characterized in that the iron content of the starting constituents of the
Melt and that of the solid container or crucible material coming into contact with the melt on one
Value of a maximum of one part per million, on the basis of the total cationic or atomic content, and the iron content of all solid parts, including structural elements, in the heating zone are limited to a maximum value of 10 parts per million on the same basis and that during the Annealing prevents contamination of the single crystal with iron in excess of 10 parts per million.
As can be seen from the description below, the minimization of iron contaminants, which is the cause of a considerable reduction in damage, at least currently leads to crystals which can be considerably improved by treatment with at least one of the two tempering processes.
The use of the single crystals produced according to the invention leads for the first time to practical long-term operation (more than 1 second), both of linear and non-linear devices at temperatures below 100 "C. The possibility of continuous wave operation of parametric oscillators is of particular importance the fact that all of the facilities for which LiNbO3 is of interest can be operated at low temperatures These facilities include all of the facilities indicated above, ie
electro-optical modulators that work depending on amplitude, frequency or phase change; acousto-optic devices serving as Q-spoilers, modulators, deflectors, samplers, and optical filters; and non-linear devices such as harmonic generators, buck converters (both degenerate and nondegenerate), parametric oscillators, amplifiers, etc.
The significance of the radiation damage increases with the frequency and represents a serious problem at wavelengths below approximately 0.65 µ Ic. Devices that are exposed to wavelengths below 0.65 µ during operation are therefore of particular importance.
The method according to the invention is explained in more detail below with reference to the drawing, for example. Show it:
1 shows a schematic view of an electro-optical modulator with a crystal produced according to the invention,
Fig. 2 is a schematic view of a nonlinear device using a single crystal;
3 shows a schematic view of a device with one form of a parametric device using a single crystal produced according to the invention,
Fig. 4 is a schematic view of an apparatus having a form of parametric device which is an alternative to that of Fig. 3;
5 shows a partially sectioned schematic view of a Bragg deflection unit in which a single crystal produced according to the invention is used as the operative element, and FIG
Fig.
6 shows a schematic view of an acousto-optical filter using a single crystal produced according to the invention.
The basic composition of the materials dealt with here, which are designated with the nominal formal LiNbO3, can and usually will also deviate somewhat from the specified stoichiometry. As is known, such a deviation or change may be desirable, e.g. B. to accelerate growth; in this case the congruent composition corresponds more precisely to the formula (Li2O) 0.486 (Nb2O5) 0.514. A deviation from stoichiometry can also be introduced for the purpose of adjusting the crystalline birefringence in order to create a desired phase matching composition at a suitable temperature. For these purposes it has proven to be expedient to change the composition over the range given by the formula (Li2O) 0u44¯0ss (Nb205) 0.56-0.5.
Where the desired operating conditions permit, the congruent composition is to be preferred, since crystals of this composition are usually of the highest optical quality. Within the specified range, lithium / niobium ratios smaller than those of the congruent composition led to a reduction in birefringence and therefore to a non-linear device which enables a non-critical phase adjustment of several closely related wavelengths, while the increase in the lithium / niobium ratio leads to the opposite Has effect.
In Volume 17, Applied Physics Letters, page 104 (1970), the addition of magnesium to the lithium niobate crystal is described for the purpose of increasing the birefringence and thereby enabling phase matching for a given group of wavelengths at a higher temperature. While the purpose of this measure according to the cited document was to enable operation at a sufficiently high temperature while avoiding radiation damage, the same type of modification of the composition to change the birefringence and therefore the phase matching conditions at lower temperatures can be used as according to the invention is considered. For this purpose, magnesium can be added in amounts up to 1% of the total cation content.
Other addition materials can be added in a similar maximum amount for this purpose. Accordingly, the composition provided according to the invention can be described in such a way that it consists of at least approximately 99 percent by weight (Li2O) 0.44¯0, s (Nb2Os) 0fs6 0.5.
Lithium niobate crystals are generally grown from a melt, which is usually melted from the starting components Li2CO3 and Nb2O5. Such starting constituents are available with total iron contents of the order of magnitude of 1 part per million or less. These starting ingredients are usually milled with the aid of a ball mill or other apparatus using iron-containing grinding surfaces. Milling is followed by a series of sintering and renewed milling steps until the reaction is complete. After the reaction, the product is melted and a crystal is grown, usually using the Czochralski method.
Part of the invention is the discovery that this series of treatment steps, as is commonly practiced, results in a significant increase in iron content, often by at least an order of magnitude (from 10 parts per million to 100 parts per million in the final crystal).
Accordingly, the usually high purity (on the order of one part per million iron) starting ingredients are treated in such a way that further iron contamination is minimized. Suitable process steps can follow the specified milling and sintering sequence, but using iron-free grinding surfaces (agate was found suitable) and avoiding contamination during the heating steps. In this connection it has been found that common alumina or other ceramic support elements or any iron-containing substances which are in the heated furnace zone contribute significantly to an increase in the iron content in the final composition.
A simple replacement of ceramic carrier elements with sapphire or silica carriers, together with the other precautionary measures, leads to a crystalline end product with a total crystal content in the order of magnitude of that of the starting components (e.g. 1 part per million).
An alternative process avoids grinding and sintering and causes a direct reaction of the starting constituents within a non-contaminating container, from which crystallization can take place directly. Such a reaction must necessarily be carried out very slowly because of the evolution of gases such as carbon dioxide.
The determination and minimization of contaminating influences during the treatment forms an essential aspect when carrying out the method according to the invention. The knowledge that an increase in the iron content occurs during normal treatment or production, together with the observations and mechanistic explanations given here, was the prerequisite for specifying the crystallization processes that avoid iron contamination. The first aspect of the invention therefore relates to the minimization of the iron content in the crystal by (a) using high-purity starting materials (iron content not greater than about 1 part per million) and (b) treating such starting materials to produce the crystalline product in such a way that a later introduction of iron is essentially avoided.
With regard to (b) the use of components made of common ceramic materials, which can contain hundreds or thousands of parts per million iron, must be avoided within the warm furnace zone. Alternative materials that have been found suitable include silica, quartz, sapphire, high purity magnesia, or other materials whose iron content is generally 10 parts per million or less. The container material that comes into contact with the melt must have a very high purity with regard to iron. A proportion permissible in this regard is no greater than about 1 part per million. The iron content of the container material can be reduced to a certain extent by the getter effect of a lithium niobate starting melt, which is then separated out.
In this way, the container surface in contact with the melt can be cleaned up to the required proportion of 1 part per million iron during the growth process.
A preferred embodiment of the invention relates to a tempering process. Such a process is necessarily carried out over a temperature range well below the ferroelectric Curie point, i.e. H. is below a temperature of 7000 C. It is believed that the ineffectiveness of annealing at temperatures significantly above 700 "C is due to the increase in the equilibrium ratio of Fe2 + to Fe3 + with increasing temperature. The Fe2 + introduced into the composition during growth is therefore during annealing at such high temperatures probably not converted to Fe3 +.
Below temperatures of 700 "C, tempering in oxygen-containing atmospheres, e.g. in air, leads to the conversion of a substantial proportion of Fe2 + into Fe3 + (measured by optical absorption and also by paramagnetic electron resonance). In fact, sufficient tempering leads to water-clear crystals, This gives the indication for essentially complete conversion.Resonance measurements, which are more sensitive, indicate further conversion of Fe2 + to Fe3 + upon annealing, even in crystals which show no appreciable absorption.
The minimum annealing temperature that has been found suitable for these purposes is around 500 C, and the minimum time for a noticeable improvement is more than 30 minutes. Although lower temperatures can be used, this increases the treatment times considerably. Over a range from 500 to 700 "C, the preferred minimum treatment times are about 1 hour at 700" C, 10 hours at 600 "C, and 100 hours at 500 C. Although there are no absolute maximum times, the equilibrium seems to be in the order of treatment times 5 hours, 50 hours or
500 hours at 700, 600 or 500 C to be essentially reached.
As can be seen from the examples, the use of this tempering process in conjunction with low iron-containing materials is sufficient to ensure a level of resistance to damage that allows operation at room temperature under many facility conditions.
An even further improvement in the resistance to radiation damage is achieved by additional tempering when an electric field is applied. This process is carried out over the same temperature range as the tempering without an electric field, namely between 500 and 700 "C. The tempering with the field applied is carried out using a current density of at least 1 milliampere per square centimeter of cross-section orthogonally to the direction of current flow Apply a field on the order of 100 volts per centimeter The electrode materials are generally not critical with the exception that, of course, they should not introduce iron impurities, and platinum electrodes have been found to be satisfactory in this regard.
The tempering times are between about 5 and 30 minutes. The minimum time is required for a measurable improvement, while exceeding the maximum time leads to a deterioration in the crystal quality, e.g. By introducing material from the anode or by extracting Will cations from the cathode. This range was found to be appropriate for a sample length of the order of magnitude of 2 mm. Analysis of electrodes revealed actual removal of iron during field annealing, although a secondary effect causes the equilibrium ratio of Fe2 + to Fe3 + to be reached, especially when field annealing alone is performed. Since the effect is primarily due to the actual ion drift, the voltages required depend on the unit length.
Although the prescribed values are time-dependent, an appropriate range of 10 to 1000 volts per centimeter is given. Tempering by applied field results in a considerable improvement in material with a low iron content. However, results are achieved when it is performed in conjunction with annealing without an applied field.
The most likely explanation for the damage in lithium niobate depends on a change in the valence of iron ions during operation. In normal operation, the electromagnetic beam to be processed has a non-uniform intensity across the crystal in a direction orthogonal to the beam path. The central region of the beam is usually of the highest intensity and the Fe2 + ions in the most strongly irradiated regions of the crystal are preferably excited. Such excited ions can then release electrons, converting them into Fe3 +. The electrons released in this way are captured by other Fe3 + ions in the less strongly irradiated zones of the crystal, these ions in turn being converted into Fe2 +.
The overall effect is a change in the distribution of the Fe2 + ions, with the result that the electronic effect causes a new formation and redistribution of local refractive index inhomogeneities.
The following examples concern the use of a particularly sensitive method for determining most levels of Fe2 +. Bivalent iron ion levels which are produced according to the invention are below those which can be determined with conventional optical absorption methods or with parametric measurements at room temperature. Since such levels or
Shares in the furnishing business have meaning, it became necessary. to develop a more sensitive method. With this method, local changes in the refractive index are determined simply by measuring the light intensity caused by scattering at a given angle from the beam axis. This method is of particular importance as it simulates the exact condition that results from laser damage to the operating facility. The terminology used for this test method is diffraction efficiency.
The value of the diffraction efficiency indicated in each case is a saturation value; H. the measurement is carried out after sufficient irradiation to achieve the maximum damage under the given operating conditions. The test laser beam used for the measurements generated an intensity of about 10 watts per cm2 at 5145. For comparison: all sections used in connection with the examples had a thickness of 0.2 cm in the direction of beam propagation. It is possible to convert this value either into the change in the refractive index (the cause of the scattering) or the Fe2 + content (assuming the assumed mechanism).
example 1
A crystalline coupon cut from a congruent composition made from starting materials having an iron content of about 1 part per million using conventional milling or sintering methods under conditions such that the iron content was reduced to about 10 parts per million was used Million in the final crystal product was increased. The diffraction efficiency was 0.2%. The inclusion of such a crystal in one of the facilities shown led to an inadmissible level of damage within a period of 1 minute or less with a beam intensity of 10 watts per cm2 at room temperature.
Example 2
The sample according to Example 1 was tempered in air at 600 ° C. for a period of 50 hours. The diffraction efficiency was 0.02%. The use of such a crystalline sample in an electro-optical device such as that according to FIG. 1 with a laser power of 10 watts per cm2 allows operation for a period of at least 1 hour without noticeable damage to such an extent that the device operation is seriously affected.
Example 3
The sample according to Example 2 was tempered at 600 ° C. in air for 15 minutes with the field applied, the current density being 5 milliamps per square centimeter. The diffraction efficiency was 0.007%. A section used in a device such as that according to FIG A power level of 30 watts per square centimeter allows continued operation for a period of at least 1 hour at room temperature without sufficient damage to seriously degrade the operation of the facility.
Example 4
A crystalline sample was prepared from the same starting ingredients as those of Example 1, but by direct reaction within a platinum crucible and by growth in a chamber in which all heated elements had an iron content of 10 parts per million or less. The diffraction efficiency was 0.010%. The operation of the device is similar to that of Example 3.
Example 5
The sample according to Example 4 was tempered in air at 600 ° C. for 50 hours. The diffraction efficiency was less than 104% (below the limit of the available measurement possibilities). The use of such a material in a parametric oscillator, for example the one shown in FIG. 3, enables operation at room temperature with a useful intensity level of 1 watt of the pump radiation (about 100 kW / cm2 at the focal point in the LiNbO3 crystal), with a pump wavelength of 5145 Å in non-degenerate operation.
The device according to FIG. 1 is representative of the LiNbO3 as a linear material-using class, the relevant effect of the material being linearly dependent, at least over a certain range, on the magnitude of the influence causing the effect. The particular device shown in this figure is one type of electro-optic modulator. The electro-optical modulator 1 consists of a single crystal produced according to the method described below. In a preferred application, a crystal can be cut in the orientation shown (a short dimension over which the field is applied runs in the direction of the c-axis). For example, the following dimensions can be used: 2.5 mm height and thickness and 10.2 mm length.
Electrodes are attached to surfaces 2 and 3 to which a voltage source 4 is applied to modulate the carrier. The body 1 lies between a pair of crossed polarizers 5 and 6, the polarization directions of which are oriented at +45 and -45 "to the c-axis of the body 1. A pretensioning device 7, which can be designed as a quartz wedge, for example, is used to set the extinction or A beam 8 of electromagnetic radiation, for example from a helium neon laser, is transmitted in the manner shown, and a lens 9 serves to focus the beam inside the body 1, and a lens 10 is used to focus the emerging beam.
Of course, Fig. 1 illustrates only one possible use of the single crystal. It is common to operate electro-optic devices in such a way that frequency or phase is modulated instead of amplitude and that a return transmission path is also used.
The frequency and phase modulation are expediently achieved in that the plane of polarization of the incident beam 8 is merged with the main axis, which in turn runs either orthogonally or parallel to the direction of the applied field.
A single crystal body 11 made of LiNbO3 is shown in FIG. The crystallographic orientation of the body is shown in the figure. A coherent electromagnetic beam 12 generated by the source 13 is introduced into the body 11 in the manner shown. The resulting emerging beam 14 is then passed through a filter 15 and determined by a device 16. In the case of a generator for the second harmonic (SHG), the beam 12 is of a fundamental frequency, while the exiting beam 14 additionally contains a wave of a frequency corresponding to the second harmonic of the beam 12. The filter 15 is constructed in such a way that it only lets through the relevant wave, which in the SHG case is that of the harmonics. The device 16 measures only that part of the beam which leaves the filter 15.
The device shown in FIG. 2 can similarly be viewed as a three-frequency device, with the beam 12 containing frequencies to be mixed or consisting of a pump frequency. Under these conditions, the excitation beam 14 contains signal and idler frequencies as well as the pump frequency, which represent three specific values for non-degenerate operation. For every operation, whether two or three frequencies, the efficiency is increased by resonance. This can be done by coating the surface of the crystal 11 through which the beam enters and exits. This coating can be partially reflective only for a generated frequency, e.g. B. be for the harmonic in the SHG.
For the three-frequency case it is desirable to support the two generated frequencies. In most cases this cannot be done by coating the crystal face, and it is necessary to provide at least one spaced adjustable mirror which is positioned at such a distance from the face of the crystal 11 that the frequencies in question are supported . Simultaneous support of the pump frequency can take place in a similar way. However, the resulting complication is only justified if the pump level requires it.
The crystal orientation, which is shown as the starting position for the crystal 11 in the device according to FIG. 2, eliminates the effect of birefringence discussed above.
This angle can operate in either degenerate or nondegenerate modes for a wide range of conditions, e.g. B. be maintained simply by temperature control.
Fig. 3 shows a parametric device with greater accuracy than Fig. 2. In the device shown, curved mirrors 21 and 22 together with a laser oscillator 23 and an SHG element 24 form a coherent light source with an output frequency which is a maximum limit for the Sets the output frequency of the parametric element. Although an SHG element 24 is not required in principle, its use is an effective means of generating coherent radiation at a visible frequency from a solid state source. Since the LiNbO3 parametric device has a low threshold. is it suitable to work with sources of other visible frequencies, e.g. B. a gas laser to work, whereby the need for an SHG element 24 is eliminated.
The solid-state laser currently most effective, at least for continuous wave operation, is the neodymium-doped yttrium-aluminum garnet. In this example, the initial laser operation is 10640 Å, so the SHG-generated radiation exiting element 22 is twice the frequency than c has a wavelength of 5320 Å. The only requirement for the structure comprising elements 21 to 24 or their replacement is that it must operate over a frequency range within which LiNbO3 is substantially transparent.
As indicated, this range is between approximately 60,000 Å and 3500. Since most parametric devices lead to a downward conversion, the pump sources are expediently operated near the shorter wavelength limit rather than the longer one.
It has been stated that pumping can be done in such a way that an SHG element 24 is not required. In other arrangements it may be desirable to use a higher harmonic. One method described is to include an additional SHG element.
An essential aspect of LiNbO3 devices is that they can work in continuous wave operation. Nevertheless, the impulse operation is not excluded.
Accordingly, the pump source can consist of a pulsed laser.
The coherent emission passing through the partially reflecting mirror 22 is then focused by the lens 25 in such a way that it reaches a focal point within the parametric oscillator resonator to which the elements 26 and 28 belong. The element 26 is a crystal of LiNbO3, which is coated on the surface 27 with a dielectric coating which has a high degree of transmission at the pump frequency. The oscillator-resonator is defined by the coating 27 and by a curved mirror 28 separated therefrom, the latter also being provided with a dielectric coating having approximately the same properties as the coating 27. The inner surface of the oscillator crystal 26, like the non-reflective inner surfaces of the elements 23 and 24 in the direction of propagation, is provided with an anti-reflective coating.
FIG. 4 shows an alternative device, the elements 30, 33, 34, 32, 35 and 36 of which fulfill the same functions as the elements 21, 23, 24, 22, 25 and 26 of the embodiment according to FIG. The arrangement of Fig. 4 differs from that of Fig. 3 in the replacement of the flat reflective surface 27 with a curved mirror 37 and the curved mirror 28 with a flat mirror 39. Alternative arrangements, for example, one or more integral with the crystal Using curved reflective surfaces are obvious to those skilled in the art.
The device according to FIG. 5 is a Bragg deflection unit, which consists of an acousto-optical element 41 made of LiNbO3 and a source 42 for elastic waves. The source 42 can be formed by a piezoelectric transducer, for example from lithium niobate, and in the exemplary embodiment shown is equipped with electrodes 43 and 44 which are connected to an alternating current or modulation source 45. In the illustrated embodiment, the body 41 is provided with optically polished surfaces 46 and 47. These surfaces can also be provided with permeable coatings in order to protect them and / or to minimize reflection losses.
In operation, a beam 48 of electromagnetic radiation (which can be focused or defocused by a lens system, not shown) with a wavelength within the transmission bandwidth of LiNbO3 is introduced at an angle e with respect to the propagation of the elastic wavefronts, which are schematically designated 49 ( after a break on the surface). While a part of the beam 48 passes through the body 41 and emerges as beam 50 in a direction coinciding with that of beam 48, a certain part is deflected by interaction with the elastic wave at an angle 2 0 and exits as beam 51.
The schematic view according to FIG. 5 shows a device with a Bragg deflection unit, in which the incident and diffracted rays are at the same angle, known as the Bragg angle, to the direction of propagation of the elastic wavefront. Bragg deflection units are effective around a limited angular range, the center of which is this optimal orientation. The Bragg diffraction condition requires constructive or positive interference from scattered light sources. This condition is fulfilled when the distance traversed by a light wave diffracted by an elastic wave front is one light wavelength greater than the path length of a light wave diffracted by an adjacent wave front.
For some operating conditions in which the sound wavelength is significantly greater than the light wavelength, the diffraction angle 20 can be approximated to the ratio of the light wavelength to the elastic wavelength. Since the elastic wavelength in turn is equal to the ratio of the elastic wave speed to the elastic frequency and the speed in a given medium is constant for a given direction of propagation of the acoustic wave, the diffraction angle is in a first approximation directly proportional to the frequency of the elastic wave. Changing this frequency therefore allows one of a large number of deflection angles to be selected. This relationship is used in a multi-position x, y deflection system.
Fig. 6 illustrates an example of a group of acousto-optic filters which take advantage of the collinear interaction of an acoustic standing wave or traveling wave and a beam of electromagnetic radiation. The essence of such devices is that electromagnetic radiation, including energy, of more than one wavelength can be processed in such a way that one or more of the wavelengths involved can be selectively derived (deflected, reflected or transmitted). Such devices can accordingly act as frequency selectors which are permanently set or can be tuned in connection with a broadband laser or can be used to extract signal information.
Facilities of this type have received some attention in recent literature, cf. on this, for example, Volume 15 Applied Physics Letters, page 325 (1969), and Volume 17, Applied Physics Letters, page 223 (1970). The references given give a complete description of such devices.
The device shown, the mode of operation of which is based on the interaction of electromagnetic energy with an acoustic traveling wave, uses a crystal 60 made of LiNbO3, which was treated according to the invention. This crystal is provided with two optically polished surfaces, an entry surface 61 and an exit surface 62. The crystal 60 comprises a shear wave transducer 63 made of a piezoelectric material, e.g. B. LiNnO3.
This converter is used to transmit an acoustic or
Sound wave under the influence of an alternating current field applied to electrodes 64 and 65 attached to an electrical device (not shown). After its generation, the acoustic wave is reflected at the interface of the elements 63 and 60 by the surface 61, which is cut at an angle of 45 "to the beam propagation direction, so that the resulting acoustic wave moves colinearly with the beam. The surface 62 is similarly cut at a 45 "angle and is parallel to surface 61 so that it causes reflection of the acoustic wave in a direction orthogonal to that of the beam transverse direction. An absorber 66 is provided to prevent reflection of the acoustic wave.
The incoming beam, which is indicated schematically by an arrow 67, is introduced into the crystal 60 through the surface 61 at an angle 0 such that the beam direction within the crystal 60 runs along an a-axis (shown longitudinal direction of a crystal element).
The beam 67 necessarily consists of at least two different radiation wavelengths. It can consist of two coherent or incoherent rays or it can have a broad spectrum of coherent or incoherent rays. The beam 67 passes through a planar polarizing element 68. The operation of the device is similar to that of the device of FIG. 1, but depends in producing a disproportionate change in the index of refraction in one of two directions orthogonal to the beam (in the device shown these directions are the crystallographic a and c
Directions) from the advancing shear wave.
In such devices, the effective rotation is only performed for electromagnetic wavelengths and acoustic waves, which meet the necessary phase adjustment conditions; therefore the device calls for an effective rotation of a selected wavelength corresponding to the frequency of that generated by element 63
Shear wave out. A final selection is carried out with the aid of an analyzer 69 which is arranged at such an angle relative to that of the element 68 that it allows only the desired beam to be transmitted. Alternative arrangements include the use of standing acoustic waves, right beam reflective elements, parallel polarizers and analyzers.
PATENT CLAIM 1
Process for the production of a single crystal from (Li2O) of44-os (Nb2Os) o1sSoss which can be doped with other substances up to 1% of its cation content, in which process a melt is produced in a furnace that provides the single crystal, then the single crystal from the melt is grown and then subjected to tempering, characterized in that the iron content of the initial components of the melt and that of the solid container or container coming into contact with the melt.
Crucible material to a value of a maximum of one part per million, on the basis of the total cationic or atomic content, and the iron content of all solid parts, including the structural elements, in the heating zone to a maximum value of 10 parts per million on the same basis and that during of annealing, iron contamination of the single crystal in excess of 10 parts per million is avoided.
SUBCLAIMS
1. The method according to claim I, characterized in that ground and sintered Li2CO3 and Nb2O5 are used as starting materials for the melt, the iron content of which is at most one part per million, and that contact of the starting materials with components whose total iron content is greater than 10 is avoided Is parts per million on the stated basis.
2. The method according to claim I, characterized in that the grown single crystals are tempered in an oxygen-containing atmosphere in a temperature range of 500 to 700 "C.
3. The method according to dependent claim 2, characterized in that the tempering of the single crystals takes place within the said temperature range over a period of at least 30 minutes in the absence of an electric field.
4. The method according to dependent claim 2, characterized in that the tempering of the single crystals takes place within said temperature range in the absence of an electric field over a minimum duration which is temperature-related according to the relationship defined by the following points: one hour at 700 "C, 10 hours at 600 "C and 100 hours at 500 C.
5. The method according to dependent claim 2, characterized in that the tempering of the single crystals takes place within the said temperature range over a period of at least 5 minutes with the application of an electric field, the field being selected to be sufficiently strong to produce a current density of at least 1 milliampere per cm2 cross-section.
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