Bestrahlungsinduzierte Modifikation der Materialparameter in magnesiumdotiertem Lithiumniobat

Abstract

Lithiumniobat-Kristalle sind von großem Interesse für das Forschungsfeld der optischen Datenübertragung. Durch eine Reihe interessanter Materialeigenschaften sind sie Grundlage für eine Vielzahl an Anwendungen in Wissenschaft, Industrie, Medizin und Alltag.<br /> Von besonderem Interesse ist magnesiumdotiertes Lithiumniobat, welches den sogenannten optischen Schaden – eine Strahlauffächerung aufgrund des photorefraktiven Effektes - wirkungsvoll unterdrückt. Die Dotierung des Materials bringt allerdings auch Nachteile mit sich, so wird unter anderem die Herstellung von periodisch gepoltem Lithiumniobat (PPLN), das beispielsweise zur Frequenzverdopplung benötigt wird, deutlich erschwert, da sich keine kleinen Domänen mehr bilden.<br /> Es wird daher angestrebt, die Materialparameter von magnesiumdotiertem Lithiumniobat dahingehend zu modifizieren, dass sowohl der optische Schaden effektiv unterdrückt wird als auch die Anwendungen in der nichtlinearen Optik, wie die Erzeugung von PPLN, vereinfacht werden. Im Rahmen dieser Arbeit geschieht dies durch eine Bestrahlung des magnesiumdotierten Lithiumniobats mit ³He-Ionen mit einer Energie von 40 MeV. Die Energie der Ionen ist hierbei hinreichend groß, so dass sie durch den kompletten Kristall dringen und nicht implantiert werden.<br /> Im ersten Teil werden die bestrahlungsinduzierten Materialveränderungen intensiv untersucht. Es werden große, langzeitstabile Brechungsindexänderungen gemessen, die von einer Deformation und einer bräunlichen Verfärbung der Kristalle begleitet werden. Des Weiteren existiert eine um mehrere Größenordnungen erhöhte elektrische Dunkel- und Photoleitfähigkeit sowie eine Reduzierung der Koerzitivfeldstärke. Die Ursachen dieser Materialveränderungen sind bestrahlungsinduzierte Defekte, die durch verschiedene Methoden genauer spezifiziert werden. <br /> Der zweite Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Erzeugung von mikroskopischen Strukturen in Lithiumniobat. Durch einen Ionenmikrostrahl bzw. eine verschiebbare Schlitzblende wird die Herstellung von Brechungsindexgittern verfolgt. Gitter mit Periodenlängen im Bereich von 12-160 μm konnten bislang mit verschiedenen Methoden nachgewiesen werden und versprechen im Vergleich zu photorefraktiven Gittern den Vorteil einer größeren Stabilität. Für die Fertigung von PPLN wird im Rahmen dieser Arbeit das weit verbreitete Verfahren mit strukturierten Elektroden benutzt. Durch die Bestrahlung des Materials sind PPLN-Strukturen bei geringeren Feldstärken und mit höherer Qualität möglich. <br /> Insgesamt eröffnet die Bestrahlung mit Ionen interessante und technologisch vielversprechende neue Perspektiven für den Einsatz von magnesiumdotiertem Lithiumniobat in der nichtlinearen Optik.