مقاله تابش بلور لیتیوم نیوبات با یونهای پرانرژی هلیوم

بخشی از مقاله

چکیده-

با تابش یونهای سبک و پر انرژی 3He به بلور LiNbo3 ضریب شکست آن در ناحیه عبور یونها تغییر می یابد. بنابراین بدون استفاده از کاشت یون می توان از یک ناحیه ناهمگن برای نیمرخ چگالی، جهت تغییر مناسب ویژگیهای نوری بلور LiNbo3 استفاده نمود و روش تازه ای را به کمک یونهای 3He - با انرژی - 40 MeV برای ساخت یک کانال موجبر میکرومتری و حساس به قطبش نور در LiNbo3 معرفی نمود.

-1مقدمه

بلور LiNbo3 نقش مهمی را در قطعات نوری به عنوان ماده بنیادی بازی می کند که این نقش مرتبط است با استحکام مکانیکی آن، دسترسی پذیری ارزان، همگنی نوری و داشتن ویژگیهائی چون فرو الکتریک، الکترواپتیک و فوتورفرکتیو.

همچنین کاربردهائی شبیه فیلترهای هولوگرافی و اسبابهای ذخیره کننده هولوگرام انگیزه های زیادی را جلب کرده اند. بویژه امکان اپتیک تجمعی با لیزر، مودوله کننده ها وفیلترها بر روی تنها یک ویفر [1] LiNbo3 بسیار امیدوار کننده است. در تکمیل وسایل نوری بر روی LiNbo3 به ساخت موجبری که بتواند عبور, کنترل و قطبش نور را به عهده بگیرد نیاز است. از روشهای استانداردی که یک موجبر با کیفیت عالی را فراهم کنند

عبارتند از مبادله پروتون و ناخالص سازی با تیتانیم. در این روشها طراحی یک موجبر با استفاده از سطح کریستال بعنوان محدوده ی ضریب شکستی بیان شده است. ما روش متفاوتی را در اینجا ارائه کرده ایم. با تابش ذرات پر انرژی - حدود - 40MeV بر LiNbo3 ضریب شکست n در فضای عبوری یونها از میان ماده را تغییر داده [2] و تغییرات شدیدی از مرتبه Q 3×10-3 را ممکن می سازد.

این تغییرات در دمای اتاق کاملا پایدار بوده و میتوانند با پخت حرارتی نمونه در دمای 0C 500 محو شوند.[3] محدوده توقف این یونهای پرانرژی در LiNbo3 در حدود 0.6 mm میباشد. به کمک یک چگالی ناهمگن فضایی می توان یک شکل مودوله شده ضریب شکست را فراهم آورد که ساخت کانال موجبری که زیر ماده دفن شود را ممکن سازد

-2روش آزمایش

ما بلوری از LiNbo3 را بکار می بریم که از ویفرهایی مقرون به صرفه و بدون ناخالصی - به ضخامت - 1mm آماده شده است . تکه هایی در ابعاد 5×6 mm2 برش خورده اند بطوریکه ضلع بزرگتر موازی با محور نوری بلور است. سطوح نیز با کیفیت نوری خوبی پولیش شده اند. نمونه ها به منظور خنک شدن در هنگام تابش یونی به یک قطعه گرافیت چسبیده اند. تابش بلور با یونهای 3He و انرژی 40 MeV در درون سیکلوترون انستیتو هلم هلتز دانشگاه بن انجام گردیده است.

جریان کل هدایت شده به کریستال حدود 40 nA بوده و در هر تابش حدود 130 ʽCوارد نمونه میشود - حدودا معادل با انجام یک ساعت تابش - . برای ایجاد یک کانال موجبر ضروری است که در میان فضای تابش یافته درون کریستال ناحیه ای را که زیر تابش یونی قرار نگرفته باشد باقی گذاریم. برای تحقق این خواسته طراحی شکل - 1a - استفاده شده است .

یک نوار تنگستن کشیده شده در جلوی سطح کریستال مانع از ادامه یافتن باریکه یونی به درون ماده میشود. پهنای نوار تنگستن 25 میکرومتر و ضخامت آن 1میلی متر است - با در نظر گرفتن جهت جریان یونی - . این نوار یونها را جذب نموده و روی کریستال سایه ای در برابر باریکه یونی ایجاد میکند که در آن هیچ تابشی جای نگیرد . بیرون سطح سایه، تمام جریان در درون کریستال وارد میشود. نوار تنگستن در حدود 200میکرومتر پایینتر از لبه کریستال قرار میگیرد، بنابرین سایه تابش حدود 200میکرومتر پایینتر از لبه سطح است.

دومین تابش با شکل هندسی یکسانی انجام میشود، اما کریستال به اندازه 90 درجه چرخیده است این در شکل - 1b - ترسیم شده است. با نگاه جانبی به کریستال یک کانال کوچک در مکان برخورد دو سایه شکل گرفته است و در مجموع هیچ تابشی به آن برخورد نکرده است. دقت شود که ماده قرار گرفته در محدوده سایه ها فقط یک بار در معرض تابش قرار گرفته است. عمق توقف یونها - ناحیه ای در حدود 6 mm، - 0 نیز در شکل - 1b - نمایش داده شده است. این ناحیه بسیار دورتر از منطقه ایجاد کانال قرار دارد.

پس از ایجاد موفقیت آمیز یک کانال نوری به روش یاد شده، آنچه اهمیت پیدا می کند ساخت یک نمونه موجبر پریودی به این روش است. این کار با طراحی میزی متحرک که به یک موتور پیزو الکتریک متصل است انجام می گیرد، بدین صورت که نمونه بر روی میز متحرک محکم شده و در مسیر تابش یونی قرار می گیرد. شکاف ایجاد شده در مانعی که در جلوی سطح کریستال قرار دارد باعث می شود که تنها پرتوهای عبوری از شکاف به کریستال برخورد نمایند. بنابراین با حرکت کریستال نسبت به شکاف، بخشهای مختلف آن تابش می یابند. پس از تابش، نمونه ها به صورت اپتیکی و با انتخاب یک آرایش اپتیکی مناسب که در آن نور حاصل از یک فیبر نوری در موجبر جفت میشود، بررسی می گردند.

همانطور که در شکل - 2 - نشان داده شده است، نور یک لیزر - 632.8 nm - He-Ne داخل یک فیبر نوری جفت میشود. از انتهای دیگر این فیبر نوری یک باریکه نور غیرقطبی گسیل می گردد. جایگاه کریستال میتواند با توجه به موقعیت انتهای فیبر نوری تنظیم شود . نور از میان کریستال عبور کرده و در خروجی سطح آن را ترک میکند این سطح بر روی پرده ای منعکس میشود که بوسیله یک دوربین CCD عکس برداری میشود . اینچنین می توان از نظر فضایی نور عبوری از میان سطح خروجی را بررسی نمود. قطبش نور عبوری از کریستال میتواند بوسیله یک قطبشگر انتخاب شود .

-3نتایج

یک نمونه که در آن محور نوری C موازی با کانال تابش نیافته قرار دارد، آماده شده است. شکل 3 تصویری جانبی از سطح نمونه آماده شده را نشان میدهد که با میکروسکوپ گرفته شده است . در تصویر، منطقه تابش یافته که به رنگ خاکستری بوده و معمولا رنگ خاکستری آن بعد از تابش نمایان میشود, قابل تشخیص است.

در ادامه سایه های تابش نیافته مربوط به دو مرحله تابش و بویژه منطقه تقاطع این دو سایه - جایی که به رنگ خاکستری نیست - بررسی میشوند. خط براگ پیک که جایگاه لایه توقف یونهاست نیز در شکل نشان داده شده است. نتایج بررسی انتشار امواج نوری در شکل 4 دیده می شوند. قسمت a پخش نور در سطح خروجی را در حالتی نشان می دهد که در سطح ورودی، نور از میان کانال به درون نمونه جفت شده است. یک پیک بزرگ با شدت نور قوی قابل تشخیص است.

در شکل 4 bپخش نور هنگامی که نور خارج از منطقه تابش یافته به درون کریستال جفت شده است، دیده می شود. حاصل چنین کاری یک نور مخروطی پهن در خروجی می باشد. دقت شود که درجه بندی خاکستری مربوط به دو عکس- که مرتبط با شدت نور میباشد - متفاوت است. قسمت b با حساسیت 6 بار بیشتر گرفته شده است.

بنابراین برای درجه خاکستری یکسان شدت 6 برابر در مقایسه با آنچه در شکل 4 a آمده کمتر است. سپس یک کریستال دیگر، که در شرایط یکسان بگونه ای تابش یافته است که محور نوری C عمود بر کانال تابش نیافته قرار گیرد، بررسی میشود. نتایج در شکل 5 معرفی شده اند. قسمت a، شکل نور را برای قطبش عادی نشان میدهد. دوباره یک سطح روشن کوچک عبور دهنده نور قابل تشخیص است.

قسمت b در شکل 5 نتیجه را برای قطبش غیر عادی نور نشان میدهد. دیده می شود که از درون کانال هیچ نوری عبور نکرده است. شکل 6 نمونه ای تابش یافته با فواصل پریودی در حدود   را نشان می دهد که بوسیله میکروسکوپ گرفته شده است. خطوط تیره نشان دهنده فضاهای تابش یافته می باشند و همانطور که دیده می شود نزدیک به 20 کانال در فضائی به عرض   ایجاد شده اند.

-4بحث

چنانچه نور در منطقه مرجع کریستال - یعنی خارج از سطح تابش یافته - گسیل شود، در ماده پخش شده و بلور را در سطح خروجی بصورت یک نور پخش شده و پهن ترک می کند. اما در مقایسه با آن، نور جفت شده در کانال تابش نیافته - که در منطقه تابش یافته واقع است - بخوبی عبور می کند. این نور نمونه را در یک نقطه کوچک ترک کرده و شدت نور در این نقطه در مقایسه با حالت پخش کننده نور خیلی بیشتر است. این موضوع بطور روشن در شکل 4 نشان داده شده است. عبور موج نتیجه مستقیم تابش غیر یکنواخت سطوح می باشد.

پخش شدگی شدت نور هیچ ساختار تداخلی را نشان نمی دهد که قابل تشخیص در موجبر نوری تک مد موجود باشد. بزرگی کانال در حدود 30 m می باشد که بخوبی با ابعاد سایه جریان یونی که بوسیله ضخامت نوار تنگستن تعیین می شود همخوانی دارد. بهر حال مقداری از نور در کانال موجبر - یعنی در دیواره های چپ، راست، بالا و پایین کانال - گیر نمی افتد.

این اشکال می تواند با یک جریان تابشی بهتر و یک مدت زمان تابش مناسبتر اصلاح شود. اینگونه می توان کنتراست ضریب شکست را بالا برد و یا بوسیله انتخاب طراحی هندسی مناسبتری برای تابش، میزان همگنی سطوح تابش نیافته را افزایش داد. همانطور که در شکل 5 نشان داده شده است قطبش عادی نور عبور کرده است در صورتیکه نور غیر عادی بسمت خارج از کانال تابش نیافته منحرف شده است. این رفتار نشان می دهد که در سطوح تابش یافته ضریب شکست عادی نور - no - کاهش یافته و بر خلاف آن ضریب شکست غیر عادی - ne - در همخوانی با گزارشهای منتشر شده نیز افزایش یافته است.

این موضوع ساخت موجبری با قطبش قابل انتخاب را ممکن ساخته است. اینچنین می توان یک وسیله اپتیکی مرکب مانند قطبی کننده نور طراحی کرد. از داده های شکل 4 میتوان میزان هدر دادن موجبر ما را با مقایسه نور متمرکز مربوط به لکه نوری شکل 4a و نور مخروطی پهن شده در شکل 4b تخمین زد. این مقایسه نسبت شدت نور عبور کرده را به شدت نور کل تابیده به کریستال مشخص می کند. ما نسبتی به اندازه 5 3dB،0 برای شدت نور به دست می آوریم که بیان کننده ی هدر رفتن شدت نور 5 dB/cm برای یک طول موج می باشد.

دلیل چنین هدررفتن بالایی می تواند درست انجام نشدن مراحل ساخت موجبر باشد. برای نمونه یون ها به خاطر نواقص مربوط به نوار تنگستن از لبه های آن پراشیده شده و به درون ماده راه یافته اند. دقت شود که نور از بخش تابش نیافتهکریستال عبور می کند بنابراین اگر لبه های موجبر خوب آماده شوند هدر رفتن کمی انتظار خواهد رفت. اگرچه بخش ناپایدار مد نوری موجبر ممکن است در فضای تابش یافته نفوذ کند، اما به وسیله پخت حرارتی می توان ورود تابشهای پراش یافته در این سطوح را به طور کامل بر طرف نمود

نقطه قوت این کار در این است که روش ما پاسخ مثبت داده است و همانطور که شکل 6 نشان می دهد راه جالبی برای ایجاد ساختار های موجبری خیلی متراکم دفن شده در ابعاد بسیار کوچک را ممکن می سازد.