Természetes és Mesterséges Optikai Elemek Munkabeszámoló Bányász István november 27.

2 Tartalom 1.Bevezetés 2.Ion-implantált optikai elemek 3.Fotorefraktív hologramok LiNbO 3 kristályban 4.Projektek, tervek 5.Publikációk

3 2.Ion-implantált optikai elemek 2.1 Az ion-implantáció optikai hatásai A következő ábrák az „Optical effects of ion implantation” című monográfiából valók. (by Townsend et al, Cambridge University Press, 1994)

4 1. ábra Szilícium-dioxidba implantált különféle 500 keV-es ionok a) mélységbeli eloszlása, b) nukleáris fékeződése c) Elektromos fékeződése a mélység függvényében.

5 2. ábra Mechanikai feszültség kialakulása ion-implantált üvegben.

6 3. ábra A roncsolódás stabilitása He ionokkal implantált kvarcban.

7 4. N + ionokkal implantált kvarc reflexiója a szög függvényében, és a belőle számított törésmutató-profil.

8 Az ion-implantáció hatásai a törésmutatóra 1)Nukleáris fékeződés: ponthibák, klaszterek a behatolási mélységben. 2) Az ionizáció fokozza a nukleáris fékeződés hatását (szinergia). Színcentrumok keltése. Hőkezelődés. 3)A keltett hibák rekombinálódhatnak. 4)A rekombinálódás kevésbé hat az amorf tartományban (a behatolási mélység körül). 5) Szuperlinearitás. A meglevő hibák stabilizálják a további hibákat. Telítésbe menés (S alak). 6)A hűtés csökkenti a hőkezelődést. 7) Új fázisok kialakulása stabilizálhatja a hibákat. 8)Sztöchiometriai és fázis átalakulások hatása (+, - törésmutató). 9)A mechanikai feszültség hatása nagy dózisoknál domináns. 10) A szincentrumok abszorbeálnak, enyhe hőkezelés kellhet (200 Cº).

9 5. ábra Optikai gát effektus 2,2 MeV-es He + ionokkal, 0, x ion/cm 2 dózisokkal implantált kvarc hullámvezetők törésmutató- profiljaiban.

10 6. ábra 2,0 + 2,12 + 2,24 MeV-es He + ionokkal, 4.5 x ion/cm 2 dózissal, implantált hullámvezető törésmutató-profilja és a hozzá illesztett módusgörbe.

11 7. ábra 2 MeV He + ionokkal 300 Kº hőmérsékleten implantált Nd:YAG kristály törésmutató-profilja a következő dózisok esetében: a, 1,5; b, 3,0 és c, 5,0x10 16 ion/cm 2, amely egy ~ 0.3 % -os kezdeti növekedést mutat. A két módusgörbe eltérő meredeksége a hullámvezetők eltérő effektív szélességét tükrözi.

12 8. ábra Két különböző energián implantált LiNbO 3 -ban kialakult egyedi optikai gátak profiljának összehasonlítása az együttes implantálással kialakított profillal, 633 nm-es hullámhosszon mérve.

Ion-implantált hullámvezetők Motiváció: Ritkaföldfém-adalékolt üvegekben a hullámvezetőket aktív elemekkel kellene kombinálni. Viszont ezekben az anyagokban hagyományos mikroelektronikai technológiával nem alakíthatók ki a hullámvezető struktúrák, mert a megmunkálás tönkreteszi a felületüket. Lehetséges megoldás: ion- implantálás maszkon keresztül.

14 Eredmények: Csatorna hullámvezetők Tellurit üveg mintákban meghatároztuk az ion-implantálással készített csatorna-hullámvezetők törésmutató-modulációját, illetve felszíni profilját. (maszkon keresztüli implantálás, interferencia -, fáziskontraszt - és interferencia-kontraszt mikroszkópia és felszíni profilometria) IFAC (Firenze, Olaszország): a hullámvezetők az implantált dózis széles tartományában működnek látható és közeli infravörös tartományban. 980 nm-en megfigyelhető az Er 3+ ionok okozta frekvenciakétszerezés. BGO kristály mintákba is beírtunk csatorna-hullámvezetőket. (Bi12GeO20). E hullámvezetők kevésbé szabályosak mint a tellurit üvegbe írtak. Működésük ellenőrzése jelenleg folyik az IFAC-ban.

15 9. ábra. Hullámvezetők készítése ion-implantálással

ábra. Az implantált N atomok mélységi eloszlása tellurit üveg mintában a SRIM programmal számítva.

ábra 15 µm széles hullámvezető csíkok tellurit üvegben. Implantálás: 1.5 MeV-es N + ionok,0.5, 1,2 és 4 x ion/cm 2 dózis, szilícium membránba mart ablakokon keresztül. IF-Phcontrast

ábra. Frekvenciakétszerezés az Er 3+ ionokkal adalékolt hullámvezetőben. A pumpáló hullámhossz 980 nm, a csatorna hullámvezető 1.0 x ion/cm 2 dózissal lett implantálva.

19 Eredmények Sík hullámvezetők Anyag: Er 3+ - adalékolt tellurit üveg. Implantátum: 1,5 MeV N ábra Sík hullámvezetők implantálása Er 3+ - adalékolt tellurit üvegben

ábra Ion-implantált sík hullámvezető Er 3+ - doppolt tellurit üvegben, Dózis = 8 x ion/cm 2 Interferencia - fáziskontraszt mikroszkóp.

21 D Zóna : Dózis: 8.0*10 16 ion/cm 2 Hullámvezetők effektív törésmutatójának meghatározása a prizmás m-vonalas (dark line spectroscopy) módszerrel. 15. ábra Ionimplantált sík hullámvezetők effektív törésmutatója az implantált dózis függvényében Er 3+ - doppolt tellurit üvegben. Konklúzió: eltemetett gát, szivárgó hullámvezető

22 3.Fotorefraktív hologramok LiNbO 3 kristályban Interferencia mikroszkópia segítségével „quasi in-situ” módszerünkkel meghatároztuk 300 μm vastag Fe:LiNbO 3 kristályba írt fotorefraktív holografikus rácsok törésmutató profilját az expozíció függvényében. ( Λ = 3, 6,5 és 8,8 μm rácsállandók, valamint V = 0,5 és 1,0 interferencia csík – láthatóság). Az interferogrammok kiértékelésére két módszert alkalmaztunk. Saját módszer: MATLAB script, polinom illesztés. FRIINT, Fourier transzformáció

23 Eredmények 16. ábra Hologram kialakulása a LiNbO 3 mintában. a, Λ = 3,0 μm. I 0 = 48.1 mW/cm 2. b, Λ = 6,5 μm. I 0 = 48.0 mW/cm 2. a, b,

ábra Két LiNbO 3 hologram mikro-interferogrammja. a, Λ = 3,0 μm, V = 1,00, E 0 = 3960 mJ/cm 2. b, Λ = 6,5 μm és V = 0,997, E 0 = 6528 mJ/cm 2. a, b,

ábra A FRIINT program egy pillanatképe. Egy 3 μm rácsállandójú hologram mikro-interferogramjának kiértékelése.

ábra A LiNbO 3 - ba írt hologramok törésmutató-modulációja az expozíció és a csíkláthatóság függvényében. a, Λ = 3,0 μm, b, Λ = 6,5 μm. a, b,

27 3.Projektek, tervek 1. Foto- és neutron-refraktív anyagok és jelenségek OTKA T , , (2008. dec. 31-ig meghosszabbítva). Témavezető: Dr. Kovács László, SZFKI Költségvetés: MFt Bányász István résztvevő kutató 2. Aktív és passzív integrált optikai elemek és eszközök tervezése és készítése ionimplantációval Olasz-magyar TéT együttműködés, IT - 15/03, Költségvetés: MFt Magyar témavezető: Bányász István Olasz témavezető: Giancarlo C. Righini, IFAC, CNR Firenze

28 3. Hullámvezetők és diffraktív optikai elemek készítése ion- implantációval OTKA (K), 2007 – 2010 Témavezető: Lohner Tivadar Résztvevők: Bányász István, Fried Miklós, Pászti Ferenc, Watterich Andrea és Major Csaba MFA SZFKI RMKI együttműködés Költségvetés: 16.2 MFt

29 Feladatok 1. Transzmissziós fázisrácsok készítése speciális üvegekben (Pyrex, boroszilikát) He, N implantációval. 2. Reflexiós fázisrácsok készítése CVD-vel SiO2-ben, kisenergiás N, Ne és Ar ionokkal. 3. Reflexiós fázisrácsok készítése többenergiás MeV-es ionokkal és hőkezelésekkel ( LiNbO 3, KTaO 3, Bi 12 GeO 20 (BGO), Gd 3 Ga 5 O 12 (GGG) és zafír). 4. Egyszerű transzmissziós diffraktív optikai elemek készítése többenergiás MeV-es ionokkal. 4. Komplex transzmissziós diffraktív optikai elemek készítése rétegnövesztés és FIB kombinációjával.

30 5. Publikációk Újságcikk: 1.I. Bányász, "Fourier analysis of high spatial frequency holographic phase gratings", J. Mod. Optics, 52, , (2005) 2.I. Bányász, "Higher-order harmonics in bleached silver halide holograms", Optics and Lasers in Engineering, (special issue on Diffractive Optical Elements), 44, , (2006) 3.I. Bányász, "Comparison of the effects of two bleaching agents on the recording of phase holograms in silver halide emulsions", Optics Communications, 267, , (2006) 4.S. Berneschi, G. Nunzi Conti, I. Bányász, A. Watterich, N. Q. Khanh, M. Fried, F. Pászti, M. Brenci, S. Pelli, G. C. Righini “Ion beam irradiated channel waveguides in Er3+-doped tellurite glass”, Applied Physics Letters, 90, , (2007) 5. Bányász I, Mandula G; Application of interference microscopy to the study of hologram build-up in LiNbO 3 crystals, Optics Communications, közlésre elküldve

31 Konferencia proceedings: 1.Bányász I. and Mandula G., "Direct microscopic observation of hologram build- up in photorefractive crystals", presented at the Symposium "Holography 2005", May 2005, Varna, Bulgaria, Proc. SPIE Vol. 6252, pp. O9-1 – 09-6, (2006) 2.I. Bányász and G. Mandula, “Quasi in-situ microscopic study of hologram build- up in LiNbO3 crystal”, presented at the Conference “Practical Holography XXI: Materials and Applications”, Photonics West 2007 Symposium, San Jose, USA, 20 – 27 January 2007,, Proc. SPIE 6488, pp.08-17, (2007) 3.S. Berneschi, M. Brenci, G. Nunzi Conti, S. Pelli, G. C. Righini, I. Bányász, A. Watterich, N. Q. Khanh, M. Fried, “Channel waveguides fabrication in Er 3+ - doped tellurite glass by ion beam irradiation”,presented at the Conference “Integrated Optics: Devices, Materials, and Technologies XI “, Photonics West 2007 Symposium, San Jose, USA, 20 – 27 January 2007, Proc. SPIE 6475, pp (2007) 4.Bányász, I, Berneschi, S, Fried, M, Cacciari, I, Lohner, T, Nunzi-Conti, G, Pászti, F, Pelli, S, Righini, GC, Watterich, A, Zolnai, Z, Petrik, P, “Nitrogen-ion- implanted planar optical waveguides in Er-doped tellurite glass”, accepted for publication at Symposium Photonics West 2008, San Jose, USA, 19 – 24 January 2008, Proc. SPIE 6890, pp. xxx (2008)

32 Köszönöm! Preguntas и замечания