ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ ПОЛУЧЕНИЯ НА СВОЙСТВА МОНОКРИСТАЛЛОВ ZnGeP2 В ТГц ДИАПАЗОНЕ
|
Реферат
ВВЕДЕНИЕ 4
Глава 1. Физические процессы, наблюдаемые при нелинейно-параметрической генерации в ZnGeP2 10
1.1 Проблемы создания терагерцовых источников и приемников излучения 10
1.2 Нелинейно-оптические характеристики 11
1.3 Оптические гармоники 15
1.4 Выводы по главе 1 21
Глава 2. Технология получения тройного соединения ZnGeP2 22
2.1 Преимущества монокристалла ZnGeP2 из известных на данный момент нелинейнооптических кристаллов 22
2.2 Синтез соединения ZnGeP2 24
2.3 Выращивание монокристаллов методом Бриджмена в вертикальном варианте 25
2.4 Структурные дефекты ZnGeP2 28
2.4.1 Ростовые дефекты 30
2.4.2 Термический отжиг 33
2.4.3 Облучение высокоэнергетическими электронами 36
2.5 Выводы по главе 2 39
Глава 3. Экспериментальная часть 40
3.1 Описание установки 40
3.2 Тенденции поведения спектров показателей преломления и коэффициентов
поглощения кристаллов ZnGeP2 в терагерцовом диапазоне спектра и их обсуждение 48
3.3 Влияние различных условий термообработки на спектры коэффициентов
поглощения и показателей преломления 52
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 65
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 66
ВВЕДЕНИЕ 4
Глава 1. Физические процессы, наблюдаемые при нелинейно-параметрической генерации в ZnGeP2 10
1.1 Проблемы создания терагерцовых источников и приемников излучения 10
1.2 Нелинейно-оптические характеристики 11
1.3 Оптические гармоники 15
1.4 Выводы по главе 1 21
Глава 2. Технология получения тройного соединения ZnGeP2 22
2.1 Преимущества монокристалла ZnGeP2 из известных на данный момент нелинейнооптических кристаллов 22
2.2 Синтез соединения ZnGeP2 24
2.3 Выращивание монокристаллов методом Бриджмена в вертикальном варианте 25
2.4 Структурные дефекты ZnGeP2 28
2.4.1 Ростовые дефекты 30
2.4.2 Термический отжиг 33
2.4.3 Облучение высокоэнергетическими электронами 36
2.5 Выводы по главе 2 39
Глава 3. Экспериментальная часть 40
3.1 Описание установки 40
3.2 Тенденции поведения спектров показателей преломления и коэффициентов
поглощения кристаллов ZnGeP2 в терагерцовом диапазоне спектра и их обсуждение 48
3.3 Влияние различных условий термообработки на спектры коэффициентов
поглощения и показателей преломления 52
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 65
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 66
Актуальность исследования. До недавнего времени терагерцовый диапазон электромагнитного излучения (диапазон длин волн 1 - 0,1 мм) оставался малоизученным в связи с отсутствием техники, способной работать в данном спектральном интервале, а также из-за отсутствия источников и регистраторов (приемников излучения). Но в настоящее время уникальные свойства терагерцового электромагнитного излучения привлекают внимание учёных и инженеров, занимающихся прикладными разработками во многих ведущих лабораториях мира. Активно проводятся фундаментальные и прикладные исследования, направленные на освоение данного спектрального интервала. В зарубежных статьях ежегодно публикуется порядка 400 работ, по результатам исследований, выполненных в терагерцовом диапазоне.
В настоящее время мощные источники терагерцового излучения, такие как лампы обратной волны (ЛОВ) или гиротроны, активно применяются на практике в стационарных установках. Однако на основе современной электровакуумной техники, требующей высоковольтного питания и сильных магнитных полей, могут быть созданы только стационарные установки способные работать только в лабораторных условиях. Мобильные малогабаритные системы из-за большого угла расходимости излучения (~ 30 угловых градусов) пока реализовать невозможно из-за недостаточной мощности терагерцовых лазерных источников.
Альтернативным методом получения импульсов терагерцового излучения является нелинейно-параметрическое преобразование частоты наносекундных импульсов излучения лазеров видимого, ближнего и среднего ИК (0,5 -11 мкм) диапазонов в нелинейных оптических кристаллах. Получение импульсов терагерцового излучения может быть осуществлено, например, путем генерации излучения на разностной частоте при накачке излучением двух лазеров ближнего или среднего ИК диапазона. Первые результаты исследований по получению импульсов терагерцового излучения на основе нелинейнооптических кристаллов представлены в работах .
Данные работ позволяют сделать вывод о том, что реализация мобильных ТГц аналитических приборов на основе нелинейно-оптических методов имеет преимущества перед электровакуумными генераторами, такими как лампа обратной волны (ЛОВ) или гиротрон, серийно выпускаемыми в промышленности.
Имеющиеся в научной литературе на данный момент сведения о создании традиционными средствами мощных источников терагерцового излучения с малой
расходимостью свидетельствуют о том, что данная проблема остается актуальной. Создание малогабаритных параметрических преобразователей частоты наносекундных импульсов излучения лазеров видимого, ближнего и среднего ИК (0,5 -11 мкм) диапазонов в нелинейных оптических кристаллах позволяет решить проблему создания узконаправленных ТГц источников. Содержащиеся в литературе оценки инкремента нарастания интенсивности сигнальной и параметрической волны, определяющем эффективность преобразования лазерного излучения накачки в нужный спектральный диапазон, выполняются, как правило, в предположении о пренебрежимости оптических потерь (поглощения) для всех трех участвующих в нелинейно-параметрическом взаимодействии волн, например, анализ результатов, проведенный в работе . Однако целенаправленная работа над созданием источников мощных импульсов когерентного излучения терагерцового диапазона требует минимизации суммарных оптических потерь излучения, для чего необходимо знать влияние условий получения материалов, используемых в нелинейно-параметрических преобразователях, на их оптические свойства во всем рабочем диапазоне частот (длин волн).
Степень разработанности темы в России и за рубежом. Первая попытка создания нелинейно-параметрической схемы преобразования частот на основе монокристалла ZnGe₽2 была предпринята в работе . Тем не менее, существенное поглощение, присутствовавшее на всех трех длинах волн, участвующих в процессе данного преобразования, не позволило добиться существенной эффективности преобразования. В работе исследователям впервые удалось добиться мощности импульсного излучения ~ 1 Вт в диапазоне (102-110) мкм при помощи генерации разностной частоты излучения CO2 лазера в монокристалле ZnGeP2. Сравнение эффективности генерации как в бинарных, так и в тройных соединениях представлено в работе.
...
В настоящее время мощные источники терагерцового излучения, такие как лампы обратной волны (ЛОВ) или гиротроны, активно применяются на практике в стационарных установках. Однако на основе современной электровакуумной техники, требующей высоковольтного питания и сильных магнитных полей, могут быть созданы только стационарные установки способные работать только в лабораторных условиях. Мобильные малогабаритные системы из-за большого угла расходимости излучения (~ 30 угловых градусов) пока реализовать невозможно из-за недостаточной мощности терагерцовых лазерных источников.
Альтернативным методом получения импульсов терагерцового излучения является нелинейно-параметрическое преобразование частоты наносекундных импульсов излучения лазеров видимого, ближнего и среднего ИК (0,5 -11 мкм) диапазонов в нелинейных оптических кристаллах. Получение импульсов терагерцового излучения может быть осуществлено, например, путем генерации излучения на разностной частоте при накачке излучением двух лазеров ближнего или среднего ИК диапазона. Первые результаты исследований по получению импульсов терагерцового излучения на основе нелинейнооптических кристаллов представлены в работах .
Данные работ позволяют сделать вывод о том, что реализация мобильных ТГц аналитических приборов на основе нелинейно-оптических методов имеет преимущества перед электровакуумными генераторами, такими как лампа обратной волны (ЛОВ) или гиротрон, серийно выпускаемыми в промышленности.
Имеющиеся в научной литературе на данный момент сведения о создании традиционными средствами мощных источников терагерцового излучения с малой
расходимостью свидетельствуют о том, что данная проблема остается актуальной. Создание малогабаритных параметрических преобразователей частоты наносекундных импульсов излучения лазеров видимого, ближнего и среднего ИК (0,5 -11 мкм) диапазонов в нелинейных оптических кристаллах позволяет решить проблему создания узконаправленных ТГц источников. Содержащиеся в литературе оценки инкремента нарастания интенсивности сигнальной и параметрической волны, определяющем эффективность преобразования лазерного излучения накачки в нужный спектральный диапазон, выполняются, как правило, в предположении о пренебрежимости оптических потерь (поглощения) для всех трех участвующих в нелинейно-параметрическом взаимодействии волн, например, анализ результатов, проведенный в работе . Однако целенаправленная работа над созданием источников мощных импульсов когерентного излучения терагерцового диапазона требует минимизации суммарных оптических потерь излучения, для чего необходимо знать влияние условий получения материалов, используемых в нелинейно-параметрических преобразователях, на их оптические свойства во всем рабочем диапазоне частот (длин волн).
Степень разработанности темы в России и за рубежом. Первая попытка создания нелинейно-параметрической схемы преобразования частот на основе монокристалла ZnGe₽2 была предпринята в работе . Тем не менее, существенное поглощение, присутствовавшее на всех трех длинах волн, участвующих в процессе данного преобразования, не позволило добиться существенной эффективности преобразования. В работе исследователям впервые удалось добиться мощности импульсного излучения ~ 1 Вт в диапазоне (102-110) мкм при помощи генерации разностной частоты излучения CO2 лазера в монокристалле ZnGeP2. Сравнение эффективности генерации как в бинарных, так и в тройных соединениях представлено в работе.
...
В работе проведены исследования спектров пропускания оптического излучения в диапазоне длин волн 250-2500 мкм в ориентированных кристаллах ZnGeP?, выращенных методом Бриджмена в вертикальном варианте на затравку из предварительно синтезированного двухтемпературным методом соединения номинально
стехиометрического состава в состоянии «сразу после выращивания» и термообработанных в интервале 575-700 оС в течение 300-400 часов.
По результатам выполненных исследований можно сделать следующие выводы:
1. Показатель преломления обыкновенного луча в терагерцовой области оказывается больше, показателя преломления необыкновенного луча. При термообработке величины показателей преломления для обоих лучей снижаются. Заметное влияние на величину показателя преломления оказывает качество подготовки исследуемой поверхности.
2. Величина коэффициент поглощения необыкновенного луча превышает величину коэффициента поглощения обыкновенного луча в диапазоне длин волн (250-700) мкм. Величина коэффициента поглощения обыкновенного луча больше величины коэффициента поглощения необыкновенного луча в области (700-2500) мкм. В области длин волн (15002500) мкм величина коэффициента поглощения не превышает значения 0,15 см-1.
3. Результаты исследования влияния термообработки на коэффициент поглощения для выбранных условий (575, 600, 650, 700) оС оказываются сопоставимыми.
4. Повторный отжиг при температуре 650 оС в течение 300 часов приводит к оптическому «просветлению» в инфракрасном диапазоне, а также к снижению коэффициента поглощения в терагерцовом интервале длин волн. Повторный отжиг при температуре 700 оС в течение 400 часов приводит к ухудшению оптического качества в инфракрасном диапазоне, а также к снижению коэффициента поглощения в терагерцовом интервале длин волн.
5. Наиболее оптимальные значения величины коэффициента поглощения в ИК и ТГц диапазонах достигаются при условиях послеростовой термообработки 575 оС в течение 300 часов. Тем не менее, оптическое «просветление», достигнутое в ИК- и ТГц- областях путем повторного отжига при 650 оС свидетельствует о том, используемая для постростовой обработки при температуре 600 оС временная экспозиция (300-400 часов) не является оптимальной.
стехиометрического состава в состоянии «сразу после выращивания» и термообработанных в интервале 575-700 оС в течение 300-400 часов.
По результатам выполненных исследований можно сделать следующие выводы:
1. Показатель преломления обыкновенного луча в терагерцовой области оказывается больше, показателя преломления необыкновенного луча. При термообработке величины показателей преломления для обоих лучей снижаются. Заметное влияние на величину показателя преломления оказывает качество подготовки исследуемой поверхности.
2. Величина коэффициент поглощения необыкновенного луча превышает величину коэффициента поглощения обыкновенного луча в диапазоне длин волн (250-700) мкм. Величина коэффициента поглощения обыкновенного луча больше величины коэффициента поглощения необыкновенного луча в области (700-2500) мкм. В области длин волн (15002500) мкм величина коэффициента поглощения не превышает значения 0,15 см-1.
3. Результаты исследования влияния термообработки на коэффициент поглощения для выбранных условий (575, 600, 650, 700) оС оказываются сопоставимыми.
4. Повторный отжиг при температуре 650 оС в течение 300 часов приводит к оптическому «просветлению» в инфракрасном диапазоне, а также к снижению коэффициента поглощения в терагерцовом интервале длин волн. Повторный отжиг при температуре 700 оС в течение 400 часов приводит к ухудшению оптического качества в инфракрасном диапазоне, а также к снижению коэффициента поглощения в терагерцовом интервале длин волн.
5. Наиболее оптимальные значения величины коэффициента поглощения в ИК и ТГц диапазонах достигаются при условиях послеростовой термообработки 575 оС в течение 300 часов. Тем не менее, оптическое «просветление», достигнутое в ИК- и ТГц- областях путем повторного отжига при 650 оС свидетельствует о том, используемая для постростовой обработки при температуре 600 оС временная экспозиция (300-400 часов) не является оптимальной.
