ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОБРАБОТКИ НА СПЕКТРЫ ПРОПУСКАНИЯ ZnGclb В НК- II ТГЦ- ДИАПA3OHAX ЧАСТОТ
|
Аннотация 3
Введение 5
1 Структурные дефекты монокристаллов ZnGeP? 9
1.1 Точечные дефекты 11
1.2 Протяжённые дефекты 12
2 Способы постростовой обработки кристаллов ZnGeP2 15
2.1 Термообработка 15
2.2 Облучение высокоэнергетическими электронами 16
2.3 Ультразвуковая обработка 17
3 Экспериментальные данные 19
3.1 Экспериментальные установки 19
3.1.1 Ультразвуковой генератор 19
3.1.2 Спектрофотометр Shimadzu UV-3600Plus 20
3.1.3 Спектрометр Varian 640-IR 22
3.2 Спектры коэффициентов пропускания ZnGeP2 в ИК- диапазоне и влияние на них
термической обработки 23
3.3 Спектры коэффициентов поглощения и показателей преломления ZnGeP2 в
ТГц- диапазоне и влияние на них термической обработки 26
3.4 Спектры коэффициентов пропускания ZnGeP2 и влияние на них ультразвуковой
обработки 28
Заключение 32
Список использованной литературы 33
Введение 5
1 Структурные дефекты монокристаллов ZnGeP? 9
1.1 Точечные дефекты 11
1.2 Протяжённые дефекты 12
2 Способы постростовой обработки кристаллов ZnGeP2 15
2.1 Термообработка 15
2.2 Облучение высокоэнергетическими электронами 16
2.3 Ультразвуковая обработка 17
3 Экспериментальные данные 19
3.1 Экспериментальные установки 19
3.1.1 Ультразвуковой генератор 19
3.1.2 Спектрофотометр Shimadzu UV-3600Plus 20
3.1.3 Спектрометр Varian 640-IR 22
3.2 Спектры коэффициентов пропускания ZnGeP2 в ИК- диапазоне и влияние на них
термической обработки 23
3.3 Спектры коэффициентов поглощения и показателей преломления ZnGeP2 в
ТГц- диапазоне и влияние на них термической обработки 26
3.4 Спектры коэффициентов пропускания ZnGeP2 и влияние на них ультразвуковой
обработки 28
Заключение 32
Список использованной литературы 33
Актуальность исследования. В настоящее время в инфракрасном (ИК) диапазоне частот актуальным объектом разработки являются параметрические генераторы света, которые способны генерировать излучение ~ 100 Вт средней мощности в диапазоне длин волн 3-8 мкм. Генераторы данного типа могут применяться, например, в авиационных системах обороны для эффективного противодействия ракетам с инфракрасными головками наведения. Также актуальным направлением для компактных и мобильных источников среднего ИК- диапазона является зондирование атмосферы, так как именно в среднем ИК- диапазоне находятся так называемые «окна прозрачности» атмосферы, т.е. диапазоны, в которых спектральный отклик от химических загрязнений и токсичных веществ распространяется с минимальным поглощением, что позволяет производить мониторинг отравляющих веществ и контролировать состояние атмосферы [1]. Помимо этого, перспективным направлением исследований является переход в терагерцовый (ТГц) диапазон частот путём создания компактных и мобильных источников излучения. Излучение ТГц- диапазона может применяться как для бесконтактного контроля качества на производственных линиях и в медицинской диагностике, так и для создания систем безопасности, идентифицирующих запрещённые предметы [2].
Одним из способов создания источников излучения, работающих как в ИК, так и в ТГц диапазонах частот, является нелинейно-оптическое преобразование частот лазеров, рабочие длины волн которых лежат в инфракрасном или видимом диапазонах частот при помощи методов нелинейной оптики. Для создания источников излучения, работающих в инфракрасном или терагерцовом диапазоне частот, требуется минимальное оптическое поглощение на всех длинах волн, которые будут участвовать в процессе преобразования частоты, соответствующей нелинейной среды.
Перспективной нелинейно-оптической средой, в которой может быть осуществлён процесс преобразования частоты излучения являются монокристаллы ZnGeP2. Среди преимуществ данного кристалла выделяют: механическую прочность - устойчивость к вибрациям, теплопроводность (0,35 Вт/(см*К)), высокий коэффициент нелинейной восприимчивости (75±8 пм/В) [3], высокий порог лазерного пробоя, достаточное для выполнения условий согласования фаз двулучепреломление (0,04) [4]. Тем не менее, основной проблемой монокристаллов ZnGeP2, ограничивающей практическое использование данного материала, является большое остаточное поглощение в области прозрачности кристалла (1¬2.5) мкм. Данное поглощение обусловлено наличием разнообразных дефектов, в первую очередь собственных точечных [5,6], и сравнительно слабо изменяется при воздействии применяемых способов построствого воздействия, в результате чего в ряде литературных источников получило название «аномального» поглощения [7]. Наличие большого остаточного поглощения исключает применение кристаллов ZnGeP? для преобразования частоты широко распространенных и эффективных титан-сапфировых и неодимовых лазеров. Кроме того, это исключает использование кристаллов ZnGeP? для генерации ТГц- излучения путем оптического выпрямления фемтосекундных лазерных импульсов титан-сапфировых лазеров, наиболее широко применяемых в терагерцовой спектроскопии.
Новизна исследования. Впервые проведено сравнительное исследование кристаллов ZnGeP? в состоянии «после выращивания», прошедших термообработку, облучённых высокоэнергетическими электронами, обработанных ультразвуком.
Практическая значимость. Существующие методы улучшения оптических свойств ZnGeP?, такие как облучение высокоэнергетическими электронами или высокотемпературный отжиг коммерчески являются дорогостоящими и недостаточно эффективными. На основе литературных данных было определено, что потенциально метод ультразвуковой (УЗ) обработки при подборе необходимых параметров эксперимента может оказать положительное влияние на величину оптического поглощения (т.е. привести к снижению данного показателя) для нелинейного кристалла ZnGeP?. В первую очередь, ожидается, что эффект «оптического просветления» исследуемого нелинейного кристалла будет достигнут путем воздействия на дефекты более высоких порядков: дислокации и включения второй фазы. Авторами работы [8] было проведено исследование, в котором указывается, что ультразвуковое воздействие снижает показатель поглощения кристаллов ZnGeP?, при этом также сокращается плотность дислокаций и микровключений второй фазы. Согласно этим данным, метод ультразвуковой обработки потенциально может быть использован в качестве более доступной альтернативы, в частности, методу облучения высокоэнергетическими электронами, либо дополнить существующие методы постростового воздействия для повышения оптического качества кристаллов ZnGeP?.
Объект исследования. В качестве объекта исследования был выбран монокристалл ZnGeP?.
Цель исследования. В первую очередь планируется найти новые методы и способы снижения уровня поглощения монокристаллов ZnGeP? в области длин волн (1-?,5) мкм, который для ростовых кристаллов может находиться на уровне до 100 см-1, а также уровня поглощения в терагерцовом диапазоне частот.
Задачи исследования.
1. Проведение ультразвуковой обработки образцов ZnGeP?;
2. Измерение спектров пропускания в инфракрасном и терагерцовом диапазонах частот;
3. Анализ полученных результатов и определение оптимальных параметров постростовой ультразвуковой обработки монокристаллов ZnGeP2.
Предмет исследования. Спектры пропускания образцов ZnGeP2.
Методы исследования. Анализ оптических параметров производился с использованием спектрофотометра Shimadzu UV-3600 Plus, спектрометра Varian 640-IR, а также при помощи метода терагерцовой спектроскопии.
Достоверность представленных экспериментальных результатов.
Измерения проводились на откалиброванных измерительных установках с соблюдением технологии проведения исследования. При обработке результатов производилась оценка погрешности измерений с использованием апробированных методов.
Степень разработанности в России и за рубежом. В статье [9] была исследована возможность практического применения различных нелинейно-оптических кристаллов. Было установлено, что большая величина двухфононного поглощения в коротковолновой части области прозрачности спектра тройного соединения и широкая ширина запрещённой зоны ZnGeP2 делает затруднительным его применение в системах с неодимовым лазером. В статье [4] проводилось сравнительное исследование характеристик нескольких кристаллов с решёткой халькопирита: AgGaS2, AgGaSe2 и ZnGeP2. В частности, в данной статье было отмечено, что кристалл AgGaS2 обладает небольшой теплопроводностью и низким порогом лазерного пробоя. В кристалле AgGaSe2 наблюдается рассогласование фаз на длине волны 1 мкм. Автор статьи выделяет ZnGeP2 как наиболее предпочтительный нелинейно-оптический кристалл за высокий порог лазерного пробоя, оптимальную величину двулучепреломления (0,04) и широкий диапазон фазового синхронизма. В работе [10] проводилось исследование возможности применения нелинейно-оптических кристаллов для генерации ТГц- излучения. Было выделено, что кристалл ZnGeP2 способен сохранять условие фазового синхронизма, требуемое для преобразования частоты излучения ближнего ИК-диапазона в ТГц- диапазон частот.
На основании анализа литературных данных можно сказать, что нелинейно-оптический кристалл ZnGeP? выделяется из числа нелинейных кристаллов оптимальной для выполнения условий фазового согласования величиной двулучепреломления (0,04), высокой нелинейной восприимчивостью (75±8 пм/В) и широким диапазоном фазового синхронизма, что делает его наиболее перспективным материалом для создания источников излучения ИК- и ТГц- диапазонов частот. Тем не менее, присущие монокристаллам ZnGeP? недостатки, в числе которых выделяется большое остаточное поглощение в области прозрачности (1-2,5) мкм, делает поиск оптимального метода постростовой обработки одним из наиболее востребованных направлений исследования.
Одним из способов создания источников излучения, работающих как в ИК, так и в ТГц диапазонах частот, является нелинейно-оптическое преобразование частот лазеров, рабочие длины волн которых лежат в инфракрасном или видимом диапазонах частот при помощи методов нелинейной оптики. Для создания источников излучения, работающих в инфракрасном или терагерцовом диапазоне частот, требуется минимальное оптическое поглощение на всех длинах волн, которые будут участвовать в процессе преобразования частоты, соответствующей нелинейной среды.
Перспективной нелинейно-оптической средой, в которой может быть осуществлён процесс преобразования частоты излучения являются монокристаллы ZnGeP2. Среди преимуществ данного кристалла выделяют: механическую прочность - устойчивость к вибрациям, теплопроводность (0,35 Вт/(см*К)), высокий коэффициент нелинейной восприимчивости (75±8 пм/В) [3], высокий порог лазерного пробоя, достаточное для выполнения условий согласования фаз двулучепреломление (0,04) [4]. Тем не менее, основной проблемой монокристаллов ZnGeP2, ограничивающей практическое использование данного материала, является большое остаточное поглощение в области прозрачности кристалла (1¬2.5) мкм. Данное поглощение обусловлено наличием разнообразных дефектов, в первую очередь собственных точечных [5,6], и сравнительно слабо изменяется при воздействии применяемых способов построствого воздействия, в результате чего в ряде литературных источников получило название «аномального» поглощения [7]. Наличие большого остаточного поглощения исключает применение кристаллов ZnGeP? для преобразования частоты широко распространенных и эффективных титан-сапфировых и неодимовых лазеров. Кроме того, это исключает использование кристаллов ZnGeP? для генерации ТГц- излучения путем оптического выпрямления фемтосекундных лазерных импульсов титан-сапфировых лазеров, наиболее широко применяемых в терагерцовой спектроскопии.
Новизна исследования. Впервые проведено сравнительное исследование кристаллов ZnGeP? в состоянии «после выращивания», прошедших термообработку, облучённых высокоэнергетическими электронами, обработанных ультразвуком.
Практическая значимость. Существующие методы улучшения оптических свойств ZnGeP?, такие как облучение высокоэнергетическими электронами или высокотемпературный отжиг коммерчески являются дорогостоящими и недостаточно эффективными. На основе литературных данных было определено, что потенциально метод ультразвуковой (УЗ) обработки при подборе необходимых параметров эксперимента может оказать положительное влияние на величину оптического поглощения (т.е. привести к снижению данного показателя) для нелинейного кристалла ZnGeP?. В первую очередь, ожидается, что эффект «оптического просветления» исследуемого нелинейного кристалла будет достигнут путем воздействия на дефекты более высоких порядков: дислокации и включения второй фазы. Авторами работы [8] было проведено исследование, в котором указывается, что ультразвуковое воздействие снижает показатель поглощения кристаллов ZnGeP?, при этом также сокращается плотность дислокаций и микровключений второй фазы. Согласно этим данным, метод ультразвуковой обработки потенциально может быть использован в качестве более доступной альтернативы, в частности, методу облучения высокоэнергетическими электронами, либо дополнить существующие методы постростового воздействия для повышения оптического качества кристаллов ZnGeP?.
Объект исследования. В качестве объекта исследования был выбран монокристалл ZnGeP?.
Цель исследования. В первую очередь планируется найти новые методы и способы снижения уровня поглощения монокристаллов ZnGeP? в области длин волн (1-?,5) мкм, который для ростовых кристаллов может находиться на уровне до 100 см-1, а также уровня поглощения в терагерцовом диапазоне частот.
Задачи исследования.
1. Проведение ультразвуковой обработки образцов ZnGeP?;
2. Измерение спектров пропускания в инфракрасном и терагерцовом диапазонах частот;
3. Анализ полученных результатов и определение оптимальных параметров постростовой ультразвуковой обработки монокристаллов ZnGeP2.
Предмет исследования. Спектры пропускания образцов ZnGeP2.
Методы исследования. Анализ оптических параметров производился с использованием спектрофотометра Shimadzu UV-3600 Plus, спектрометра Varian 640-IR, а также при помощи метода терагерцовой спектроскопии.
Достоверность представленных экспериментальных результатов.
Измерения проводились на откалиброванных измерительных установках с соблюдением технологии проведения исследования. При обработке результатов производилась оценка погрешности измерений с использованием апробированных методов.
Степень разработанности в России и за рубежом. В статье [9] была исследована возможность практического применения различных нелинейно-оптических кристаллов. Было установлено, что большая величина двухфононного поглощения в коротковолновой части области прозрачности спектра тройного соединения и широкая ширина запрещённой зоны ZnGeP2 делает затруднительным его применение в системах с неодимовым лазером. В статье [4] проводилось сравнительное исследование характеристик нескольких кристаллов с решёткой халькопирита: AgGaS2, AgGaSe2 и ZnGeP2. В частности, в данной статье было отмечено, что кристалл AgGaS2 обладает небольшой теплопроводностью и низким порогом лазерного пробоя. В кристалле AgGaSe2 наблюдается рассогласование фаз на длине волны 1 мкм. Автор статьи выделяет ZnGeP2 как наиболее предпочтительный нелинейно-оптический кристалл за высокий порог лазерного пробоя, оптимальную величину двулучепреломления (0,04) и широкий диапазон фазового синхронизма. В работе [10] проводилось исследование возможности применения нелинейно-оптических кристаллов для генерации ТГц- излучения. Было выделено, что кристалл ZnGeP2 способен сохранять условие фазового синхронизма, требуемое для преобразования частоты излучения ближнего ИК-диапазона в ТГц- диапазон частот.
На основании анализа литературных данных можно сказать, что нелинейно-оптический кристалл ZnGeP? выделяется из числа нелинейных кристаллов оптимальной для выполнения условий фазового согласования величиной двулучепреломления (0,04), высокой нелинейной восприимчивостью (75±8 пм/В) и широким диапазоном фазового синхронизма, что делает его наиболее перспективным материалом для создания источников излучения ИК- и ТГц- диапазонов частот. Тем не менее, присущие монокристаллам ZnGeP? недостатки, в числе которых выделяется большое остаточное поглощение в области прозрачности (1-2,5) мкм, делает поиск оптимального метода постростовой обработки одним из наиболее востребованных направлений исследования.
В результате выполненной работы получены экспериментальные данные по влиянию термического отжига и ультразвуковой обработки на спектры пропускания кристаллов ZnGeP? в ИК- и ТГц- диапазонах частот. Было установлено, что для кристаллов ZnGeP? наблюдается снижение коэффициентов поглощения и показателей преломления после отжига при температурах 575-700 0С в течение 300-400 часов. Из анализа полученных экспериментальных данных следует, что после постростовой обработки в ультразвуковой ванне пропускание образцов ZnGeP? находится в пределах 60%. Стоит заметить, что ультразвуковая обработка образца, ранее проходившего термическую обработку, оказала отрицательное влияние на его прозрачность. Для ранее не обработанных термически образцов обработка в ультразвуковой ванне приводит к увеличению величины пропускания в среднем на 13%. Выдержка образцов ZnGeP? при подаваемых на них импульсах с амплитудой порядка 20 В и частотами 0,67 и 1,336 МГц в течение суток в расчёте на возбуждение ультразвуковых колебаний за счёт обратного пьезоэлектрического эффекта не оказало заметного влияния на спектры пропускания образцов в ИК- диапазоне.
Таким образом, на основе экспериментально полученных данных можно заключить, что ультразвуковая обработка нелинейно-оптических кристаллов ZnGeP? при определённых параметрах может быть эффективной альтернативой термическому отжигу образцов. В дальнейшем требуется поиск оптимальных параметров воздействия, а также применение более мощных источников ультразвуковых и электрических колебаний.
Таким образом, на основе экспериментально полученных данных можно заключить, что ультразвуковая обработка нелинейно-оптических кристаллов ZnGeP? при определённых параметрах может быть эффективной альтернативой термическому отжигу образцов. В дальнейшем требуется поиск оптимальных параметров воздействия, а также применение более мощных источников ультразвуковых и электрических колебаний.