ОПИСАНИЕ БАЗЫ ДАННЫХ

Вы работаете с базой данных "Кристалл" (БД), содержащей информацию о свойствах кристаллов акустооптических, электрооптических и нелинейно-оптических веществ (см. описания свойств веществ). Эти вещества широко используются в современной оптоэлектронике и лазерной технике в качестве рабочих тел оптических модуляторов, дефлекторов, затворов, фильтров, умножителей частоты и других преобразователей параметров светового пучка (в особенности лазерного излучения). В настоящее время число потенциально перспективных для применений веществ такого типа превышает сотню, при этом изученность их свойств находится на самом разном уровне. В связи с необходимостью повышения эффективности работы материалов проводится углубленное изучение их свойств, ведутся работы по синтезу новых веществ с улучшенными характеристиками. В результате таких исследований число перспективных для применений веществ увеличивается, данные об их свойствах непрерывно дополняются. В этой связи особое значение приобретают также работы по сбору, критической оценке и систематизации имеющейся в литературе информации по соответствующим свойствам акусто-, электро- и нелинейно-оптических веществ. В частности, полная информация о свойствах необходима для обоснованного выбора материалов для разного рода оптоэлектронных устройств, оптимизации режимов их эксплуатации, для своевременного внедрения новых материалов с улучшенными характеристиками, для уменьшения дублирования исследовательских работ. Периодически издаются справочники и монографии, содержащие соответствующие сведения [1-16], однако приводимая в них информация быстро устаревает. Последние новейшие данные по разным материалам разбросаны, как правило, по многочисленным журнальным публикациям, что затрудняет их использование. Проблема учета новых данных решается путем создания компьютеризированных, регулярно пополняемых баз данных по свойствам кристаллов различных классов. К ним относится и настоящая БД по свойствам акусто-, электро- и нелинейно-оптических веществ [17-20]. Объединение в одной БД сведений по этим трем классам материалов обусловлено близостью физических свойств, составов и применений соответствующих веществ.

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ АКУСТО-, ЭЛЕКТРО- И НЕЛИНЕЙНООПТИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

В основе функционирования трех рассматриваемых классов материалов лежит использование акустооптического, электрооптического и нелинейного оптического эффектов соответственно. Рассмотрение их сути важно для выделения и анализа основных параметров, определяющих эффективность использования материалов. Акустооптический эффект - это явление дифракции, преломления, отражения или рассеяния света на неоднородностях среды, вызванных упругими деформациями при прохождении в ней акустической волны. Возникающие при этом периодические чередования неоднородностей среды "работают" как дифракционная решетка, что используется в акустооптических приборах для дифракции света на акустических волнах. Интенсивность дифрагировавшей световой волны пропорциональна параметру M2 = n6p2/ρV3, называемому коэффициентом акустооптической добротности. Его величина определяется свойствами материала - показателем преломления n, соответствующим элементом упругооптического тензора pij, плотностью ρ, скоростью звука V. Этот параметр относится к одним из важнейших для общей оценки эффективности работы акустооптического материала. Реже используются также коэффициенты добротности M1 = n7p2/ρV, M3 = n7p2/ρV2 и M4 = n6p2V/ρ3, характеризующие эффективность работы акустооптического устройства в случаях ограничения максимальной длины ультразвукового фронта, ширины преобразования и плотности мощности соответственно. В формулы, определяющие M1, М2, M3 и M4, входят компоненты тензора pij и вектора V, поэтому их величины существенно зависят от направлений распространения и поляризации звуковой и световой волн. Коэффициент качества М2 обычно измеряют по отношению к коэффициенту качества плавленого кварца, найденному при дифракции света на продольной УЗ волне, когда световая волна поляризована перпендикулярно волновому вектору акустической волны (p12, VL). В этом случае для плавленого кварца M2(SiO2пл.) = 1.56*10-18 с3/г. Общими элементами всех акустооптических устройств являются пьезопреобразователи, генерирующие в материале акустическую волну на частотах от нескольких мегагерц до гигагерцового диапазона. Поэтому пьезоэлектрические материалы рассматриваются обычно совместно с акустооптическими. Электрооптический эффект - это изменение показателя преломления вещества под действием электрического поля. Материалы, показатели преломления которых сильно меняются под действием поля, называют электрооптическими. Электрооптический эффект бывает двух видов: 1) линейный (эффект Поккельса) - изменения показателя преломления линейно зависят от силы поля (Δ(1/n2)ij = rijkEk); 2) квадратичный (эффект Керра) - изменения показателя преломления пропорциональны квадрату силы поля (Δ(1/n2)ij = RijklEkEl). Первый имеет место только в нецентросимметричных кристаллах, второй - в чистом виде характерен для центросимметричных веществ. Из-за линейности и низкого рабочего напряжения, в технике чаще используют эффект Поккельса. Важнейшими параметрами, характеризующими линейный электрооптический эффект, являются тензор электрооптических коэффициентов rijk, а также полуволновое напряжение управления Uλ/2, вызывающее сдвиг на π фазы световой волны. Нелинейные оптические эффекты происходят в кристаллах при облучении их световым излучением высокой интенсивности (с Е>105 В/см), когда помимо поляризации вещества, пропорциональной силе приложенного поля, возникают заметные нелинейные вклады в поляризацию, пропорциональные более высоким степеням силы поля - Pio = αijEj + 2dijkEjEk + χijklEjEkEl +.... Эти вклады вызывают такие явления, как генерация второй гармоники лазерного излучения, сложение и вычитание частот двух излучений, сдвиг их на определенную величину, параметрическое излучение и др. Для получения высокого коэффициента удвоения необходимо наличие достаточно высоких нелинейных оптических коэффициентов dijk оптически прозрачного кристалла, согласование фаз и совпадение фазовых скоростей в излучении основной частоты и высших гармоник, что достигается использованием кристаллов с двойным лучепреломлением. Следует отметить, что линейный электрооптический эффект и эффект генерации второй гармоники возможны только в нецентросимметричных кристаллах; наиболее ярко они проявляются в сегнетоэлектрических и родственных кристаллах. Акустооптический эффект возможен как в нецентросимметричных, так и центросимметричных кристаллах; повышенная лабильность структур сегнетоэлекриков и сегнетоэластиков вблизи точки Кюри способствует снижению управляющих воздействий и соответственно уменьшению энергозатрат.

ПРИНЦИПЫ ОТБОРА ВЕЩЕСТВ, ПЕРСПЕКТИВНЫХ ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЙ

В настоящее время имеется достаточно широкий ассортимент веществ, в той или иной степени проявляющих указанные выше эффекты и соответственно, в принципе, пригодных для применений. Перечень веществ, рекомендованных разными авторами для применений, значительно уже. Как показывает обзор литературы, подавляющее большинство наиболее интересных и значимых работ в области акустооптики, электрооптики и нелинейной оптики было выполнено для сравнительно узкого круга материалов. Еще меньшее число материалов используется в промышленных разработках, их список содержит не более ~50 наименований. Причина узости круга промышленных материалов заключается в том, что они должны удовлетворять целому ряду разнообразных требований по своим эксплуатационным характеристикам, технологичности и экономическим параметрам. К основным параметрам акустооптического материала, определяющим эффективность его работы, относятся данные о прозрачности кристалла, затухании в нем упругих волн, коэффициенте акустооптической добротности и определяющих его показателе преломления, упругооптических коэффициентах, плотности, скоростях распространения упругих волн в кристалле. Так, затухание упругих волн в материале ограничивает верхние частоты большинства акустооптических устройств величиной ~300 МГц. Для оценки эффективности работы пьезоэлектрика в режиме преобразования электрических сигналов в упругие волны применяются коэффициент Гутина d/sλμ (d и sλμ - элементы тензоров пьезомодулей и упругих жесткостей соответственно) и коэффициент электромеханической связи k. Для данных целей используют "сильные" пьезоэлектрики с k > 10 %. При выборе электрооптических материалов в качестве критериев качества применяются, в основном, "полуволновое" напряжение Uλ/2 и коэффициент электрооптической эффективности (εUλ/22)-1, позволяющий оценить управляющую мощность; учитываются также данные об электрооптических постоянных, показателях преломления, области прозрачности кристалла, диэлектрических характеристиках. При оценке нелинейно-оптических материалов учитываются данные о нелинейных оптических коэффициентах, компонентах тензора Миллера, показателях преломления и области оптической прозрачности кристалла, возможности достижения в нем условия фазового синхронизма (nω = n). Помимо, перечисленных выше основных требований по акустическим и оптическим свойствам, материал должен удовлетворять также целому ряду дополнительных требований. Это специфичные требования, связанные с конкретным назначением прибора или устройства, в котором используются материал, условиями его эксплуатации. Они включают, в частности, такие общие для всех кристаллов требования:

  • возможность выращивания монокристаллов оптического качества и достаточно крупных размеров с использованием промышленных методов синтеза;
  • высокая химическая стойкость кристаллов по отношению к действию окружающей атмосферы; нерастворимость их в воде и других растворителях;
  • высокая оптическая однородность, особенно в рабочем диапазоне частот;
  • достаточно высокая твердость, обеспечивающая хорошую обрабатываемость поверхностей рабочих элементов и лучшую сохраняемость их в процессе эксплуатации (микротвердость должна быть выше 1.2 ГПа при желаемой выше 3.0 ГПа);
  • минимальная анизотропия теплового расширения, обеспечивающая высокую стабильность пьезоэлектрических, электрооптических и других коэффициентов, температурные зависимости которых должны быть малыми по величине и линейными по характеру;
  • хорошие диэлектрические характеристики, в том числе в сильных полях, в широких частотном и температурном диапазонах;
  • устойчивость к действию мощного лазерного излучения.

Учет всех требований и оптимизация их сочетаний заметно сужают круг потенциально интересных для применений веществ. В частности, оптимизация одних факторов может зачастую заметно ухудшать другие. Например, отмечается, что вещества с высоким коэффициентом акустооптического качества имеют, как правило, большие акустические потери; применимость многих перспективных веществ сильно ограничивается трудностями получения их в виде монокристаллов. Таким образом, для применений могут быть выбраны материалы, которые по основным акустооптическим, электрооптическим или нелинейно-оптическим параметрам занимают далеко не первые места. Среди твердых тел наиболее удобными для практического использования в качестве акустооптических материалов выделяются следующие: халькогенидные и теллуровые стекла, плавленый и кристаллический кварц, кристаллы PbMoO4, TeO2, LiMO3 с M = Nb, Ta, Tl3MX4 с M = V, As, Ta и X = S, Se; а качестве источников ультразвука - соединения типа Pb(Ti,Zr)O3, ZnO, LiNbO3. Значительный линейный электрооптический эффект проявляют кристаллы семейства KDP (KH2PO4, KD2PO4, CsD2AsPO4 и т.п.), LiMO3 с M = Nb, Ta, Bi12XO20 (X = Ge, Si, Ti), K3Li2Nb5O15, Ba2NaNb5O15, (Ba,Sr)Nb2O6, KTiOPO4, ZnTe, GaAs, CuCl, (NH4)2C2H4*H2O. К наиболее перспективным нелинейно-оптическим материалам относятся следующие монокристаллы: LiNbO3, LiTaO3, KNbO3, KDP, ADP, DADP, Ba2NaNb5O15, K2Li3Nb5O15, (Ba,Sr)Nb2O6, MNbB2O6 - M = K, Rb, Tl, LiB3O5, Li2B4O7, Ca4GdO(BO4)3, β-BaB2O4, LaBGeO5, MTiOXO4 (M = K, Rb, X = P, As), NdAl3(PO4)3. Как видно с приведенного перечня, в современной оптоэлектронной технике наиболее распространенными являются оксидные материалы, что связано, в частности, с их высокими механической и электрической прочностями, стойкостью к действию окружающей среды, низкими диэлектрическими потерями.

СОСТАВ И СТРУКТУРА БАЗЫ ДАННЫХ

Одной из главных целей проводимых нами работ является сбор и экспертная оценка данных о веществах с особыми акустооптическими, электрооптическими и нелинейно-оптическими свойствами. Одна из задач, поставленная разработчиками базы данных, была связана с объединением в единой информационной системе данных о всех свойствах, необходимых для использования веществ в акустооптических, электрооптических и нелинейно-оптических устройствах. Существенно, что информация базы данных собрана и оценена российскими специалистами, разрабатывающими и использующими материалы, относящиеся к этим классам веществ. Учитывая темпы развития данной предметной области, было решено использовать базу данных в качестве хранилища информации. Применение новых информационных технологий позволяет постоянно обновлять данные по свойствам широко применяемых в практике кристаллов, а также постоянно пополнять базу данных информацией о малоизученных, недавно синтезированных, но перспективных кристаллах с целью их использования в приборах акустооптики, электрооптики и нелинейной оптики. Обновление данных производится ежемесячно. Однако разработчики не претендуют на всеохватывающую полноту информации. Основу БД составляют таблицы, содержащие численные данные экспериментальных исследований выделенных свойств рассматриваемых акустооптических, электрооптических и нелинейно-оптических кристаллов, в число которых, наряду с известными, включаются и новые, потенциально перспективные кристаллы. В основу подхода к выбору свойств веществ, информация о которых заносится в БД, положено стремление к наиболее полному охвату тех свойств, которые позволяют охарактеризовать вещество в плане перспективности его практического использования в соответствующих приборах и устройствах. В результате такого анализа выделены следующие характеристики, численные данные, о которых приводятся в БД: - химический состав кристалла; - температуры фазовых переходов (в том числе температуры плавления) и точки Кюри; - полиморфизм, симметрия, размеры элементарной ячейки; - плотность, твердость, растворимость в разных растворителях; - тепловое расширение, теплоемкость, теплопроводность; - скорость распространения и затухания упругих волн в кристаллах; - показатели преломления и коэффициенты Селмейера; - области прозрачности кристаллов; - тензоры, описывающие упругие (cij, sij), пьезоэлектрические (dij, eij, hij, gij), пьезо- и упругооптические (πij, pij), диэлектрические (εij, tgδij), нелинейно-оптические (dij, δij), электрооптические (rij, gij) свойства кристаллов; - коэффициенты электромеханической связи (kij). Численные параметры, характеризующие указанные свойства, приводятся по каждому из кристаллов в 30 таблицах, в которых содержатся также данные о погрешностях и методах измерений приведенных значений. Всем значениям свойств и характеристик кристалла соответствует номер литературной ссылки, из которой взято это значение. Эти ссылки приводятся в отдельной таблице и включают в себя номер ссылки, название статьи (монографии, справочника), фамилии и инициалы авторов, выходные данные литературного источника. Табличная информация о каждом веществе дополнена аналитическим обзором, в котором кратко описана технология получения монокристаллов, возможные области их применения, не охваченные жесткой структурой БД данных особые свойства кристаллов, по возможности, дана экспертная оценка приводимых в базе данных сведений. Для расширения возможностей БД создан и используется комплекс программ, позволяющий обработать рисунки, приведенные в оригинальных статьях или монографиях, хранить эту информацию в виде отдельных файлов и воспроизводить ее по запросу пользователя. Потенциальными пользователями разработанного БД являются научные работники, инженеры и студенты, занимающиеся проблемами разработки и использования материалов для акустооптики, радиоэлектроники, электрооптики, нелинейной оптики, акустоэлектроники и т.п. Разработчики базы данных будут признательны за замечания и дополнения. В разработке базы данных принимали участие следующие специалисты:

  • д.х.н. Н.Н.Киселева (ИМЕТ РАН)
  • проф., д.т.н. В.В.Подбельский (МИЭМ)
  • д.ф. - м.н. А.А.Буш (МИРЭА)
  • к.т.н. И.Н.Белокурова (ИМЕТ РАН)
  • Н.В.Юдина (ИМЕТ РАН)
  • к.т.н. И.В.Прокошев (ИМЕТ РАН)
  • к.т.н. В.А.Дударев (ИМЕТ РАН)

ЛИТЕРАТУРА

  1. Акустические кристаллы. Справочник. Блистанов А.А., Бондаренко В.С., Чкалова В.В. и др. Под.ред. М.П.Шаскольской. М.: Наука, 1982, 632 с.
  2. Справочник по физическим величинам. Под ред. И.С.Григорьева и Е.З.Мейлихова. М.: Энергоатомиздат, 1991, 1232 с.
  3. Гурзадян Г.Г., Дмитриев В.Г., Никогосян Д.Н. Нелинейнооптические кристаллы. Свойства и применение в квантовой электронике: Справочник. М.: Радио и связь, 1991, 160 с.
  4. Магдич Л.Н., Молчанов В.Я. Акустооптические устройства и их применение. М.: Сов. радио, 1978, 112 с.
  5. Воронкова Е.М., Гречушников Б.Н., Дистлер Г.И., Петров И.П. Оптические материалы для инфракрасной техники. М.: Наука, 1965, 335 с.
  6. Горбач С.С., Пахнев А.В., Шаскольская М.П. Фотоупругие свойства кристаллов. Обзоры по электронной технике, серия "Материалы", М.: ЦНИИ "Электроника", вып.26, 1974.
  7. Рез И.С., Поплавко Ю.М. Диэлектрики. Основные свойства и применения в электронике. М.: Радио и связь. 1989. 288 с.
  8. Иванова Л.А., Веневцев Ю.Н. Научно-технический прогноз в области сегнетоэлектриков (Сегнетоэлектрические, антисегнетоэлектрические и родственные им соединения). Обзорн. инф. Сер. "Научно-технические прогнозы в области физико-химических исследований". М.: НИИТЭХИМ, 1983, 99 с.
  9. Рез И.С. Кристаллы с нелинейной поляризуемостью//Успехи физ.наук, 1967, т.93, с.633-674.
  10. Рябцев Н.Г. Материалы квантовой электроники. М.: Сов.радио, 1972, 384 с.
  11. Spenser E.G., Lenzo P.V., Ballman A.A. Dielectric materials for electrooptic, elas-tooptic and ultrasonic device applications//Proc. IEEE, 1967, v.55, p.2074-2108.
  12. Landolt-Bornstein. Numerical Data and Functional Relationships in Science and Technology. New Series. Gr.III: Crystal and Solid State Physics. V.9. Suppl. and Extension to v.3.- Ferro- and Antiferroelectric Substances. Berlin-Heidelberg-New York, Springer Verl., 1975, 496 p.
  13. Landolt-Bornstein. Numerical Data and Functional Relationships in Science and Technology. New Series. Gr.III: Crystal and Solid State Physics. V.11. Revised and Extended Edition of Volumes III/1 and III/2.- Elastic, Piezoelectric, Pyroelectric, Electrooptic Constants, and Nonlinear Susceptibility of Crystals. Berlin-Heidelberg-New York, Springer Verl., 1979, 854 p.
  14. Landolt-Bornstein. Numerical Data and Functional Relationships in Science and Technology. New Series. Gr.III. Crystal and Solid State Physics. V.16. Revised and Extended Edition of Volumes III/3 and III/9.- Ferroelectrics and Related Substances. Subvolume b. Non Oxides. Berlin-Heidelberg-New York, Springer Verl., 1982, 792 p.
  15. Landolt-Bornstein. Numerical Data and Functional Relationships in Science and Technology. New Series. Gr.III: Crystal and Solid State Physics. V.18. Suppl. to v.III/11.- Elas-tic, Piezoelectric, Pyroelectric, Piezooptic, Electrooptic Constants, and Nonlinear Dielectric Sus-ceptibilities of Crystals. Berlin-Heidelberg-New York-Tokyo, Springer Verl., 1984, 559 p.
  16. Landolt-Bornstein. Numerical Data and Functional Relationships in Science and Technology. New Series. Gr.III: Crystal and Solid State Physics. V.28. Suppl.and Extension to v.III/16.- Ferroelectric and Related Substances, Subvolume b: Non-oxides. Berlin-Heidelberg-New York-Hong Kong-Barcelona, Springer Verl., 1990, 833 p.
  17. Юдина Н.В., Петухов В.В., Черемушкин Е.А. и др. Банк данных по свойствам акустооптических, электрооптических и нелинейнооптических веществ//Кристаллография. 1996. Т.41, N.2. С.490-495.
  18. Голикова М.С., Бурханов Г.С., Киселева Н.Н. и др. Банк данных по свойствам акустооптических кристаллов неорганических соединений//Изв.АН СССР. Неорган.материалы. 1989. Т.25, N.4. С.700-701.
  19. Кравченко Н.В., Бурханов Г.С., Киселева Н.Н. и др. Банк данных по свойствам кристаллов для управления лазерным излучением//Изв.АН СССР.Неорган.материалы. 1991. Т.27, N.1. С.164-165.
  20. Дегтярев Ю.И., Подбельский В.В., Киселева Н.Н. и др. База данных по свойствам кристаллов акустооптических, электрооптических и нелинейнооптических веществ, доступная из Internet//Изв.ВУЗов. Материалы электронной техники. 1999. №3. С. 35-40.