Новые нелинейно-оптические материалы на основе стекла с регулируемой наноструктурой

Цель работы – Выявление возможности формирования квадратичной оптической нелинейности в оксидных стеклах, определение соотношений между параметрами нанонеоднородного строения оксидных стекол и их нелинейно-оптическими свойствами, отыскание путей управляемого наноструктурирования стекол фазовыми неоднородностями с нецентросимметричной структурой и разработка основ создания нового класса материалов - наноструктурированных стекол с высокой и термостабильной квадратичной нелинейностью для нужд оптоэлектроники, интегральной оптики, нанофотоники.
Объектом исследования являются стекла систем R2O-Nb2O5-XO2 (R=Li,Na,K; X=Si,Ge), Li2O-BaO-Nb2O5-SiO2, RO-Nb2O5-XO2 (R=Ca,Sr,Ba; X=Si,Ge), K2O-TiO2-P2O5, Ln2O3-B2O3-GeO2. Однородность исходных и термообработанных стекол на наномасштабе для большой группы образцов тестировалась тремя методами: МУРН, РМУ и ЭМ высокого разрешения, что позволило получить взаимодополняющие данные высокой степени достоверности о наноразмерном распределении электронной и ядерной плотности и о ее изменении на начальных стадиях аморфного фазового разделения и кристаллизации. Для каждой из систем выявлены механизмы инициирования эффекта ГВГ, границы достижимых значений сигнала ГВГ для прозрачных, опалесцирующих и закристаллизованных (непрозрачных) образцов.
Установлено, что возникновение сигнала ГВГ в стеклах ЛБГ, КТП, КНС и ЛНС систем связано как с пространственной модуляцией поляризуемости на наномасштабе, обусловленной наноразмерной химической дифференциацией стекол, так и с полярностью сформированных аморфных наночастиц. Подобные наноструктурированные стекла можно использовать в качестве конверторов частоты, в том числе и в виде стекловолокна.
Сигнал ГВГ в наноструктурированных стеклах может изменяться в широких пределах – от 0 до 10 ед. кварцевого эталона. При этом квадратичную восприимчивость можно плавно регулировать термообработкой стекла; Наибольшие значения сигнала ГВГ реализуются в стеклах, в которых на более поздних стадиях фазового распада кристаллизуются сегнетоэлектрические кристаллы с высокой нелинейностью.

1. Цель и задачи этапа работ:
Исследование термостабильности и структурных механизмов возникновения квадратичной оптической нелинейности в наноструктурированных стеклах
2. Работы, выполненные на отчетном этапе:
Исследована термостабильность квадратичной оптической нелинейности наноструктурированных стекол и осуществлен поиск путей ее повышения.
Выработаны принципы формирования квадратичной оптической нелинейности в оксидных стеклах. Изготовлены образцовые демонстрационные экземпляры нелинейно-оптических стекол с наилучшими среди исследованных стекол характеристиками. Проведены патентные исследования в области наноструктурированных стекол по ГОСТ 15.011-96.
3. Результаты:
Разработана методика исследования термической стабильности квадратичной нелинейности в наноструктурированных стеклах, основанная на высокотемпературных исследованиях in situ эффекта генерации второй оптической гармоники. Обнаружены составы стекол и установлены режимы их обработки, позволяющие получить стекла с высокой квадратичной нелинейностью (выше 10 ед. кварцевого эталона), которая стабилизирована до температуры 400оС. На основании результатов исследований по проекту, изучения литературы и проведения патентного поиска в области наноструктурированных стекол сформулированы принципы формирования квадратичной оптической нелинейности в оксидных стеклах: 1) выбор стеклообразующих систем с сегнетоэлектрическими фазами, 2) выбор составов на границе метастабильной ликвации или вблизи стехиометрии сегнетоэлектрической фазы, 3) стимулирование структурной анизотропии в стекле тепловым полингом (поляризацией стекла при повышенных температурах в постоянной электрическом поле) и горячей экструзией, 4) нахождение узкой температурно-временной области инициирования в стекле нанокристаллизации сегнетоэлектрической фазы, 5) применение операции теплового полинга к стеклам, наноструктурированным сегнетоэлектрическими кристаллами. Разработаны образцы нелинейно-оптических стекол с высокой квадратичной оптической нелинейностью (с сигналом ГВГ до 10,5 ед. кварцевого эталона).