The effect of thermal annealing on linear and nonlinear optical response of dyed KDP crystals

Abstract

Potassium Dihydrogen Phosphate crystals (KDP) doped with the organic Xylenol Orange (XO) dye are grown, the XO concentration in the crystal matrix is about 10 ppm. The spectral and luminescent properties of nominally pure, dye-doped and the dyedoped/annealed at 150°C crystals (KDP, KDP:XO and KDP:XOan) are measured. The annealing temperature effect on the degree of dye protonation in the crystal matrix is established. Analysis of the IR-absorption spectra reveals a strong interaction between the incorporated dye molecules and the hydrogen subsystem of the matrix. The nonlinear optical (NLO) properties of KDP, KDP:XO and KDP:XOan crystals are studied within the self-action effect of picosecond laser pulses at 532 nm. The mechanism of photoinduced bleaching and the effects of laser beam self-focusing (in KDP) and self-defocusing (in KDP:XO and KDP:XOan) are supposed to be due to resonance excitation of the subsystems of intrinsic defects and dye molecules, correspondingly. For KDP:XOan it is shown thermal annealing of intrinsic crystal defects leads to domination of more effective NLO response of the subsystem of dye molecules that is correlated with photoluminescence data.

Вирощено кристали дигідрофосфату калію, що доповані барвником ксиленоловим помаранчовим (КП), концентрація КП у матриці кристала близько 10 ppm. Виміряно спектральні та люмінесцентні властивості номінально чистого та допованого кристалів, а також допованого кристала, відпаленого при 150°С (KDP, КDР:КП і KDP:KПвідж). Встановлено вплив температури відпалу на ступінь протонування барвника у кристалічній матриці. Аналіз ІЧ-спектра поглинання свідчить про сильну взаємодію молекул барвника з протонною підсистемою матриці. Вивчено нелінійно-оптичні (НЛО) властивості KDP, КDР:КП і KDP:KПвідж. кристалів при самовпливі пікосекундних лазерних імпульсів на 532 нм. Припускається, що механізм фотоіндукованого просвітлення та ефекти самофокусування (у KDP) і дефокусування (ув КDР:КП і KDP:KПвідж) обумовлені резонансним збудженням підсистеми внутрішніх дефектів та підсистеми молекул барвника відповідно. Показано, що у KDP:KПвідж. термовідпал дефектів призводить до домінування більш ефективного НЛО відгука підсистеми молекул барвника, що корелює з даними фотолюмінесценції.

Выращены кристаллы дигидрофосфата калия, допированные красителем ксиленоловым оранжевым (КО), концентрация КО в матрице кристалла порядка 10 ppm. Измерены спектральные и люминесцентные свойства номинально чистого и допированного кристаллов, а также допированного кристалла, отожженного при 150°С (KDP, KDP:KO и КDР:КОотж). Установлено влияние температуры отжига на степень протонирования красителя в кристаллической матрице. Анализ ИК-спектра поглощения свидетельствует о сильном взаимодействии молекул красителя с протонной подсистемой матрицы. Изучены нелинейно-оптические (НЛО) свойства KDP, KDP:KO и КDР:КОотж кристаллов при самовоздействии пикосекундных лазерных импульсов на 532 нм. Предполагается, что механизм фотоиндуцированного просветления и эффекты самофокусировки (в KDP) и дефокусировки (в KDP:KO и КDР:КОотж) обусловлены резонансным возбуждением подсистемы внутренних дефектов и подсистемы молекул красителя соответственно. Показано, что в КDР:КОотж термоотжиг дефектов приводит к доминированию более эффективного НЛО отклика подсистемы молекул красителя, что коррелирует с данными фотолюминесценции.