ВЛИЯНИЕ ПРИМЕСИ И СОБСТВЕННЫХ ДЕФЕКТОВ НА ПОРОГ ОПТИЧЕСКОГО ПРОБОЯ МОНОКРИСТАЛЛА ZnGeP2
|
ВВЕДЕНИЕ 7
1 Физические, химические и оптические свойства нелинейного кристалла ZnGeP? 11
1.1 Основные характеристики и физические свойства оптических кристаллов
ZnGeP2 11
1.2 Синтез и рост тройного соединения ZnGeP2 12
1.3 Постростовые обработки ZnGeP2 15
1.3.1 Послеростовый отжиг монокристалла ZnGeP2 16
1.3.2 Облучение потоком быстрых электронов. 17
1.4 Методы исследования и типы дефектов кристаллической структуры ZnGeP2 20
1.5 Оптический пробой монокристаллов ZnGeP2, и методика его определения 24
1.5.1 Механизмы оптического пробоя ZnGeP2 26
1.6 Методы диффузионного легирования 29
1.6.1 Диффузия из пленок, наносимых на поверхность полупроводника, 30 диффузия в ампуле
1.7 Выводы по главе 1 и постановка задачи 31
2 Технологические факторы, влияющие на величину порога оптического пробоя 32 кристалла ZnGeP2
2.1 Экспериментальные образцы ZnGeP2 и их характеристики 32
2.2 Экспериментальная установка 35
2.3 Методика определения порога оптического пробоя ZnGeP2 38
2.4 Влияние на порог оптического пробоя постростовых обработок и дефектов 39 кристалла ZnGeP2
2.5 Влияние ангстремного уровня шероховатости на порог лучевой стойкости 40 монокристалла ZnGeP2
2.5.1 Исследуемые образцы и их параметры 40
2.5.2 Экспериментальные результаты и их обсуждение 41
2.6 Выводы по главе 2 47
3 Влияние характеристик многослойных интерференционных просветляющих покрытий на основе оксидов Nb, Si и Al на порог оптического пробоя монокристалла ZnGeP2.
3.1 Параметры нанесения интерференционных покрытий на подложки ZGP и 49 их характеристики.
3.2 Экспериментальные результаты и их обсуждение 53
3.3 Выводы по Главе 3 54
4 Влияние легирования на квазиоптические свойства ZnGeP? 55
4.1 Образцы и методика их постростовой обработки. 55
4.2 Методика для определения измерения показателя поглощения в ИК 55
диапазоне и электрофизических параметров ZGP.
4.3 Экспериментальные результаты и их обсуждение 56
4.4 Выводы по Главе 4. 59
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 60
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 61
1 Физические, химические и оптические свойства нелинейного кристалла ZnGeP? 11
1.1 Основные характеристики и физические свойства оптических кристаллов
ZnGeP2 11
1.2 Синтез и рост тройного соединения ZnGeP2 12
1.3 Постростовые обработки ZnGeP2 15
1.3.1 Послеростовый отжиг монокристалла ZnGeP2 16
1.3.2 Облучение потоком быстрых электронов. 17
1.4 Методы исследования и типы дефектов кристаллической структуры ZnGeP2 20
1.5 Оптический пробой монокристаллов ZnGeP2, и методика его определения 24
1.5.1 Механизмы оптического пробоя ZnGeP2 26
1.6 Методы диффузионного легирования 29
1.6.1 Диффузия из пленок, наносимых на поверхность полупроводника, 30 диффузия в ампуле
1.7 Выводы по главе 1 и постановка задачи 31
2 Технологические факторы, влияющие на величину порога оптического пробоя 32 кристалла ZnGeP2
2.1 Экспериментальные образцы ZnGeP2 и их характеристики 32
2.2 Экспериментальная установка 35
2.3 Методика определения порога оптического пробоя ZnGeP2 38
2.4 Влияние на порог оптического пробоя постростовых обработок и дефектов 39 кристалла ZnGeP2
2.5 Влияние ангстремного уровня шероховатости на порог лучевой стойкости 40 монокристалла ZnGeP2
2.5.1 Исследуемые образцы и их параметры 40
2.5.2 Экспериментальные результаты и их обсуждение 41
2.6 Выводы по главе 2 47
3 Влияние характеристик многослойных интерференционных просветляющих покрытий на основе оксидов Nb, Si и Al на порог оптического пробоя монокристалла ZnGeP2.
3.1 Параметры нанесения интерференционных покрытий на подложки ZGP и 49 их характеристики.
3.2 Экспериментальные результаты и их обсуждение 53
3.3 Выводы по Главе 3 54
4 Влияние легирования на квазиоптические свойства ZnGeP? 55
4.1 Образцы и методика их постростовой обработки. 55
4.2 Методика для определения измерения показателя поглощения в ИК 55
диапазоне и электрофизических параметров ZGP.
4.3 Экспериментальные результаты и их обсуждение 56
4.4 Выводы по Главе 4. 59
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 60
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 61
Актуальность выбранной темы: Повышение мощности и эффективности лазерных систем среднего ИК-диапазона остается одной из основных проблем современной лазерной физики и технологии, что обусловлено потребностью в таких системах при решении множества научных и прикладных задач. К таким задачам относятся: дистанционный газовый анализ и мониторинг атмосферы [1], обработка материалов [2], исследование новых физических эффектов [3], генерация аттосекундных рентгеновских импульсов и ускорение частиц [4], и многие другие. Одним из основных методов получения мощного лазерного излучения среднего ИК-диапазона является параметрическое преобразование частоты, хорошо отработанное в техническом плане, лазеров ближнего ИК-диапазона [5, 6] при помощи нелинейно-оптических кристаллов. При этом одним из наиболее эффективных способов решения этой задачи в диапазоне длин волн 3-5 мкм является использование монокристалла ZnGeP2 (ZGP) [6, 7], который иногда называют «стандартом» нелинейных кристаллов среднего ИК-диапазона [6]. Стоит отметить, что надёжная долговременная работа мощных нелинейных преобразователей на основе ZGP ограничивается эффектом оптического пробоя [3-6]. В связи с этим, в частности, потенциал практического использования мощных параметрических генераторов среднего ИК диапазона с накачкой излучением в области длин волн ~2,1 мкм связан с необходимостью определения технологических факторов, влияющих на порог оптического пробоя. Высокий показатель преломления(~ 3), и, следовательно, высокая степень отражения излучения накачки на границе раздела кристалл-воздух, значительно снижают эффективность нелинейного преобразования в кристалле. Для его существенного повышения, на рабочие поверхности кристалла необходимо наносить просветляющие покрытия в требуемом диапазоне преобразования. К таким покрытиям предъявляются жесткие требования. Например, оптическая прочность, как минимум, не должна быть ниже оптической прочности самого кристалла.
Проблеме оптического пробоя ZGP лазерным излучением на длинах волн от 1,064 мкм до 10 мкм посвящён целый ряд опубликованных ранее работ [8-16]. В этих работах было выявлено значительное различие в величине порога оптического пробоя кристалла ZGP на длинах волн 1,064 мкм и 2,1 мкм [8]. Динамическая визуализация процесса пробоя лазерным излучением на длине волны 2,1 мкм в объеме ZGP показала, что в формирующемся треке внутри нелинейно-оптического элемента происходит лавинообразный рост температуры [9]. В работе [10] сообщалось о повышение порога пробоя ZGP с уменьшением длительности импульсов излучения накачки. Эффект свидетельствует в пользу термической природы пробоя для наносекундных импульсов за счет аномального инфракрасного поглощения. В [11] было показано, что при охлаждении кристалла до температуры -600С порог оптического пробоя увеличивается в 1,5-3 раза вплоть до 9 Дж/см2 на длине волны воздействующего лазерного излучения 2,091 мкм и частоте следования импульсов 10 кГц. В [14] сообщалось, что порог оптического пробоя элементов ZGP на длине волны 9,55 мкм определялся по интенсивности воздействующего пучка величиной 142 МВт/см2 при длительности импульсов 85 нс и частоте их следования 1 Гц, что составляет ~ 9,5 Дж/см2 по плотности энергии импульсов. Также в этих работах отмечалось, в частности, что порог лазерного разрушения поверхности ZGP связан скорее с уровнем плотности энергии излучения накачки, а не интенсивности излучения [15]. Прямая зависимость порога оптического пробоя от технологии роста и оптического качества кристаллов продемонстрирована в работе [16].
Таким образом, не вполне ясными остаются причина инициализации оптического пробоя монокристалла ZGP на длине волны ~ 2,1 мкм и зависимость порога пробоя от технологических факторов роста кристалла и постростовых обработок. В связи, с чем явно требуется проведение дополнительных исследований.
Цели диссертации:
Определение влияния постростовых технологических операций на оптическую стойкость поверхности кристаллов ZGP под действием лазерного излучения на длинах волн 2,1 мкм.
Задачи:
1. Определение влияния качества полировки на порог оптического пробоя ZGP на длине волны 2,1 мкм;
2. Определение влияния параметров интерференционных просветляющих покрытий на порог оптического ZGP пробоя на длине волны 2,1 мкм;
3. Влияние диффузионного легирования различными химическими элементами на порог оптического пробоя на длине волны 2,1 мкм;
Специальные термины: ZnGeP2 (ZGP), оптический пробой, объемные дефекты, полосы роста.
Объект исследования:
1) Нелинейный кристалл ZGP и его дефектная структура, взаимодействие лазерного излучения с монокристаллом ZnGeP2.
Предмет исследования:
Зависимость пороговых значений оптической стойкости монокристалла ZGP, измеренных по методике R-on-1, от постростовых обработок.
Защищаемые положения, выносимые на защиту:
Положение №1. Неровности на полированной поверхности ZGP обусловлено выходом на поверхность объемных дефектов монокристалла является затравочными неоднородностями для инициализации оптического пробоя на длине волны 2,1 мкм.
Положение №2.Повышение порога оптического пробоя монокристаллов ZGP достигается за счет снижения их проводимости в результате диффузионного легирования элементами Mg и Se. Установлены режимы термического отжига, обеспечивающие максимальное увеличение оптической стойкости монокристалла ZGP.
Научная новизна:
1. Впервые получены данные о влиянии диффузионного легирования на порог оптического пробоя кристаллов ZGP;
2. Впервые получен ангстремный уровень шероховатости полированной поверхности монокристалла ZGP.
Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием калиброванного экспериментального оборудования и стандартизованных методик измерения, сопоставлением данных с имеющимися литературными данными.
Апробация результатов исследований: Результаты исследований, полученные в данной работе, были представлены на конференциях:
1) The 15th International Conference AMPL-2021, Institute of Atmospheric Optics SB RAS (1, Zuev Sq., Tomsk, Russia) Threshold of laser destruction of nonlinear GaSe and GaSe:In crystals when exposed to pulsed radiation at a wavelength of 2.1 microns N.N. Yudin1, O.L. Antipov, V.V. Demin, A.I. Gribenyukov, M.M. Zinoviev, S.N. Podzivalov, E.S. Slyunko, E.V. Zhuravlev, A.A. Pfeif
2) 9-я Международная научно-практическая конференция Актуальные проблемы радиофизики АПР-2021 Слюнько Елена Сергеевна. Порог лазерного разрушения нелинейных кристаллов GaSe и GaSe:In на длине волны 2091 нм .ТГУ
3) Восемнадцатая всероссийская конференция студенческих научно¬исследовательских инкубаторов. Томск 5-7 мая 2021г. (Slunko E.S., Podzyvalov S.N., Zinoviev М.М., Yakovlev N.N. Generation of terahertz radiation in a ZnGeP? single crystal);
4) Восемнадцатая всероссийская конференция студенческих научно¬исследовательских инкубаторов. Томск 5-7 мая 2021г. (Podzyvalov S.N., Zinoviev M.M., Slyunko E.S., Yakovlev N.N. ZnGeP2 crystal as a source of Thz radiation);
Основные положения работы, а также научные и практические результаты, изложены в следующих публикациях, опубликованных в рецензируемых журналах:
1) Zhu Ch., Dyomin V.V., Yudin N.N., Antipov O.L., Verozubova G., Eranov I., Zinoviev M.M., Podzyvalov S. N., Zhuravlyova E. V., Slyunko E.S., Yang C. Laser-Induced Damage Threshold of Nonlinear GaSe and GaSe: In Crystals upon Exposure to Pulsed Radiation at a Wavelength of 2.1 m //Applied Sciences. 2021. Vol. 11, № 3. P. 1-10.
2) Yudin N. N., Zinoviev M.M., Gladkiy V., Moskvichev E.N., Kinyaevsky I.O., Podzyvalov S.N., Slyunko E.S., Zhuravleva E.V., Pfaif A.A., Yudin N. A., Kulesh M.M. Influence of the Characteristics of Multilayer Interference Antireflection Coatings Based on Nb, Si, and Al Oxides on the Laser-Induced Damage Threshold of ZnGeP2 Single Crystal //Crystals. 2021. Vol. 11, № 12. P. 1-12.
3) Yudin N.N., Antipov O.L., Gribenyukov A.I., Dyomin V.V., Zinoviev M.M., Podzyvalov S. N., Slyunko E.S., Zhuravlyova E. V., Pfeif A.A., Yudin N.A., Kulesh M.M., Moskvichev E.N. Influence of Postgrowth Processing Technology on the Laser Induced Damage Threshold of ZnGeP2 Single Crystal //Russian Physics Journal. 2022. Vol. 64, № 11. P. 2096-2101.
4) Laser-Induced Damage Threshold of Single Crystal ZnGeP2 at 2.1 m: The Effect of Crystal Lattice Quality at Various Pulse Widths and Repetition Rates / Yudin N.N., Antipov O.L., Eranov I., Gribenyukov A.I. [et al] // Crystals. 2022. Vol. 12, № 5. Art. num. 652. DOI: 10.3390/cryst12050652
Проблеме оптического пробоя ZGP лазерным излучением на длинах волн от 1,064 мкм до 10 мкм посвящён целый ряд опубликованных ранее работ [8-16]. В этих работах было выявлено значительное различие в величине порога оптического пробоя кристалла ZGP на длинах волн 1,064 мкм и 2,1 мкм [8]. Динамическая визуализация процесса пробоя лазерным излучением на длине волны 2,1 мкм в объеме ZGP показала, что в формирующемся треке внутри нелинейно-оптического элемента происходит лавинообразный рост температуры [9]. В работе [10] сообщалось о повышение порога пробоя ZGP с уменьшением длительности импульсов излучения накачки. Эффект свидетельствует в пользу термической природы пробоя для наносекундных импульсов за счет аномального инфракрасного поглощения. В [11] было показано, что при охлаждении кристалла до температуры -600С порог оптического пробоя увеличивается в 1,5-3 раза вплоть до 9 Дж/см2 на длине волны воздействующего лазерного излучения 2,091 мкм и частоте следования импульсов 10 кГц. В [14] сообщалось, что порог оптического пробоя элементов ZGP на длине волны 9,55 мкм определялся по интенсивности воздействующего пучка величиной 142 МВт/см2 при длительности импульсов 85 нс и частоте их следования 1 Гц, что составляет ~ 9,5 Дж/см2 по плотности энергии импульсов. Также в этих работах отмечалось, в частности, что порог лазерного разрушения поверхности ZGP связан скорее с уровнем плотности энергии излучения накачки, а не интенсивности излучения [15]. Прямая зависимость порога оптического пробоя от технологии роста и оптического качества кристаллов продемонстрирована в работе [16].
Таким образом, не вполне ясными остаются причина инициализации оптического пробоя монокристалла ZGP на длине волны ~ 2,1 мкм и зависимость порога пробоя от технологических факторов роста кристалла и постростовых обработок. В связи, с чем явно требуется проведение дополнительных исследований.
Цели диссертации:
Определение влияния постростовых технологических операций на оптическую стойкость поверхности кристаллов ZGP под действием лазерного излучения на длинах волн 2,1 мкм.
Задачи:
1. Определение влияния качества полировки на порог оптического пробоя ZGP на длине волны 2,1 мкм;
2. Определение влияния параметров интерференционных просветляющих покрытий на порог оптического ZGP пробоя на длине волны 2,1 мкм;
3. Влияние диффузионного легирования различными химическими элементами на порог оптического пробоя на длине волны 2,1 мкм;
Специальные термины: ZnGeP2 (ZGP), оптический пробой, объемные дефекты, полосы роста.
Объект исследования:
1) Нелинейный кристалл ZGP и его дефектная структура, взаимодействие лазерного излучения с монокристаллом ZnGeP2.
Предмет исследования:
Зависимость пороговых значений оптической стойкости монокристалла ZGP, измеренных по методике R-on-1, от постростовых обработок.
Защищаемые положения, выносимые на защиту:
Положение №1. Неровности на полированной поверхности ZGP обусловлено выходом на поверхность объемных дефектов монокристалла является затравочными неоднородностями для инициализации оптического пробоя на длине волны 2,1 мкм.
Положение №2.Повышение порога оптического пробоя монокристаллов ZGP достигается за счет снижения их проводимости в результате диффузионного легирования элементами Mg и Se. Установлены режимы термического отжига, обеспечивающие максимальное увеличение оптической стойкости монокристалла ZGP.
Научная новизна:
1. Впервые получены данные о влиянии диффузионного легирования на порог оптического пробоя кристаллов ZGP;
2. Впервые получен ангстремный уровень шероховатости полированной поверхности монокристалла ZGP.
Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием калиброванного экспериментального оборудования и стандартизованных методик измерения, сопоставлением данных с имеющимися литературными данными.
Апробация результатов исследований: Результаты исследований, полученные в данной работе, были представлены на конференциях:
1) The 15th International Conference AMPL-2021, Institute of Atmospheric Optics SB RAS (1, Zuev Sq., Tomsk, Russia) Threshold of laser destruction of nonlinear GaSe and GaSe:In crystals when exposed to pulsed radiation at a wavelength of 2.1 microns N.N. Yudin1, O.L. Antipov, V.V. Demin, A.I. Gribenyukov, M.M. Zinoviev, S.N. Podzivalov, E.S. Slyunko, E.V. Zhuravlev, A.A. Pfeif
2) 9-я Международная научно-практическая конференция Актуальные проблемы радиофизики АПР-2021 Слюнько Елена Сергеевна. Порог лазерного разрушения нелинейных кристаллов GaSe и GaSe:In на длине волны 2091 нм .ТГУ
3) Восемнадцатая всероссийская конференция студенческих научно¬исследовательских инкубаторов. Томск 5-7 мая 2021г. (Slunko E.S., Podzyvalov S.N., Zinoviev М.М., Yakovlev N.N. Generation of terahertz radiation in a ZnGeP? single crystal);
4) Восемнадцатая всероссийская конференция студенческих научно¬исследовательских инкубаторов. Томск 5-7 мая 2021г. (Podzyvalov S.N., Zinoviev M.M., Slyunko E.S., Yakovlev N.N. ZnGeP2 crystal as a source of Thz radiation);
Основные положения работы, а также научные и практические результаты, изложены в следующих публикациях, опубликованных в рецензируемых журналах:
1) Zhu Ch., Dyomin V.V., Yudin N.N., Antipov O.L., Verozubova G., Eranov I., Zinoviev M.M., Podzyvalov S. N., Zhuravlyova E. V., Slyunko E.S., Yang C. Laser-Induced Damage Threshold of Nonlinear GaSe and GaSe: In Crystals upon Exposure to Pulsed Radiation at a Wavelength of 2.1 m //Applied Sciences. 2021. Vol. 11, № 3. P. 1-10.
2) Yudin N. N., Zinoviev M.M., Gladkiy V., Moskvichev E.N., Kinyaevsky I.O., Podzyvalov S.N., Slyunko E.S., Zhuravleva E.V., Pfaif A.A., Yudin N. A., Kulesh M.M. Influence of the Characteristics of Multilayer Interference Antireflection Coatings Based on Nb, Si, and Al Oxides on the Laser-Induced Damage Threshold of ZnGeP2 Single Crystal //Crystals. 2021. Vol. 11, № 12. P. 1-12.
3) Yudin N.N., Antipov O.L., Gribenyukov A.I., Dyomin V.V., Zinoviev M.M., Podzyvalov S. N., Slyunko E.S., Zhuravlyova E. V., Pfeif A.A., Yudin N.A., Kulesh M.M., Moskvichev E.N. Influence of Postgrowth Processing Technology on the Laser Induced Damage Threshold of ZnGeP2 Single Crystal //Russian Physics Journal. 2022. Vol. 64, № 11. P. 2096-2101.
4) Laser-Induced Damage Threshold of Single Crystal ZnGeP2 at 2.1 m: The Effect of Crystal Lattice Quality at Various Pulse Widths and Repetition Rates / Yudin N.N., Antipov O.L., Eranov I., Gribenyukov A.I. [et al] // Crystals. 2022. Vol. 12, № 5. Art. num. 652. DOI: 10.3390/cryst12050652
Одной из главных задач современной нелинейной оптики является установление условий, способствующих повышению оптической стойкости используемых оптических кристаллов и выявление доминирующего механизма оптического пробоя, в условиях накачки на длине волны 2,1 мкм.
Проведенные в данной работе исследования показали:
1. Наиболее информативным параметром, характеризующим влияние качества полировки рабочих поверхности ZnGeP2 на порог пробоя, являются именно параметр неровности полированной поверхности (пики и впадины), определяемый как PV. Именно неровности поверхности являются “затравочными” неоднородностями для инициализации оптического пробоя на длине волны 2091 нм.
2. Выявление основных причин, определяющих порог оптического пробоя, показало , что наибольшее влияние на оптическую стойкость кристалла ZGP оказывают дислокации или объемные дефекты, выходящие на полированную поверхность. Ангстремный уровень шероховатости поверхностей, по сравнения с обычным уровнем обработки поверхности не повышает оптическое качество кристалла.
3. Отсутствие локальных флуктуаций состава и механических напряжений в покрытиях на основе чередующихся слоев Nb2Os и AhO3 приводит к увеличению порога оптического пробоя.
4. Повышение порога оптического пробоя монокристаллов ZGP достигается за счет снижения их проводимости в результате диффузионного легирования элементами Mg и Se. Установлены режимы термического отжига, обеспечивающие максимальное увеличение оптической стойкости монокристалла ZGP.
Проведенные в данной работе исследования показали:
1. Наиболее информативным параметром, характеризующим влияние качества полировки рабочих поверхности ZnGeP2 на порог пробоя, являются именно параметр неровности полированной поверхности (пики и впадины), определяемый как PV. Именно неровности поверхности являются “затравочными” неоднородностями для инициализации оптического пробоя на длине волны 2091 нм.
2. Выявление основных причин, определяющих порог оптического пробоя, показало , что наибольшее влияние на оптическую стойкость кристалла ZGP оказывают дислокации или объемные дефекты, выходящие на полированную поверхность. Ангстремный уровень шероховатости поверхностей, по сравнения с обычным уровнем обработки поверхности не повышает оптическое качество кристалла.
3. Отсутствие локальных флуктуаций состава и механических напряжений в покрытиях на основе чередующихся слоев Nb2Os и AhO3 приводит к увеличению порога оптического пробоя.
4. Повышение порога оптического пробоя монокристаллов ZGP достигается за счет снижения их проводимости в результате диффузионного легирования элементами Mg и Se. Установлены режимы термического отжига, обеспечивающие максимальное увеличение оптической стойкости монокристалла ZGP.



