Мелкосерийное производство (выращивание) и реализация кристаллов ZnGeP2
1. НАЗНАЧЕНИЕ Оптические элементы из монокристалла ZnGeP2 представляют собой уникальную нелинейную среду для параметрического преобразования частоты оптического излучения в среднем ИК диапазоне. На базе данных нелинейных элементов созданы параметрические генераторы света, генерирующие излучение в диапазоне длин волн 3,5-8 мкм со средней мощность 40 Вт при частотах следования импульсов ~ 10 кГц и длительности импульсов 10-30 нс, с КПД преобразования свет в свет на уровне 50 %. Также монокристаллы ZnGeP2 используются для получения второй гармоники излучения CO и CO2 лазеров. Перспективным направлением является создание на базе элемента ZnGeP2 когерентных источников ТГц излучения мощностью в несколько мВт посредством генерации излучения разностной частоты лазеров среднего ИК диапазона (2-8 мкм.).
2. ПРИМЕНЕНИЕ
• Параметрические генераторы света в диапазоне длин волн 3-8 мкм с накачкой излучением лазеров на гольмии, тулии и эрбии. Данные источники монохроматического когерентного излучения, востребованы во многих отраслях науки и техники. В частности, могут применяться:
1. для обработки стекла, керамики и различных полупроводниковых материалов посредством термораскола и скрайбирования;
2. для зондирования атмосферы и дистанционного определения состава веществ, мониторинга экологической обстановки и определения размеров мелкодисперсных объектов;
3. для создания лидарных комплексов воздушного базирования мониторинга утечек природного газа из магистральных трубопроводов;
4. создание систем контроля и сертификации высокочистых газов, используемых в высокотехнологичных производствах – в микроэлектронике и полупроводниковом производстве;
5. источники данного спектрального диапазона с энергией в импульсе генерации ~ 0,5 мДж и длительностью 100 нс востребованы для проведения хирургических операций — резонансной абляции костных тканей. Источники с длительностью импульса генерации менее 10 нс и энергией в импульсе ~ 0,2 мДж востребованы в медицине для малоинвазивной хирургии глаза.
• Эффективное преобразование излучения CO2 и CO лазеров с повышением частоты с помощью генерации высших гармоник и процессов смешения.
• Генераторы разностной частоты на базе нелинейных монокристаллов ZnGeP2 для генерации ТГц излучения в диапазоне длин волн 100-1000 мкм (2-0,3 ТГц). Монокристаллы ZnGeP2 является наиболее эффективной нелинейной средой для генерации мощного ТГЦ излучения при накачке источниками среднего ИК диапазона на разностной частоте. На данный момент, на кристаллах получена средняя мощность ТГц излучения 2 мВт. Ведутся работы по разработке источников ТГц излучения со средней выходной мощностью ~ 10 мВт и пиковой мощность излучения на уровне единиц Вт. Данные источники ТГЦ излучения актуальны для разработки целого ряда перспективных прикладных устройств:
1. для создания дистанционных систем контроля взрывчатых и наркотических веществ;
2. для дистанционного поиска мелкоразмерных металлических предметов, всего в несколько раз больших
(~ 1 мм) длины волны излучения, а также металлических объектов, удаленных на большие расстояния, при достаточной мощности источника. При этом может быть обеспечена высокая точность определения их пространственного положения, как по дальности, так и по направлению;
3. для систем селективного воздействия на молекулы, которые могут обеспечить контроль синтеза лекарственных препаратов, диагностику злокачественных опухолей и высокотемпературной плазмы с высоким временным разрешением, а также решение других задач медицины, биологии и физики.
3. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
Материал – монокристалл ZnGeP2
Состав, химическая формула — ZnGeP2 , номинально стехиометрия
Кристаллическая структура – тетрагональная, халькопирит
Точечная группа симметрии -¯42m
Параметры решетки: а = b = 5,467 Å; c = 10,710 Å
Точка плавления [1, 2] – 1027 ± 3 ˚ С
Плотность [1] – 4,158 г/см3
Микротвердость [2] – 980 ± 80 кг/мм2
Твердость по Моссу [3] – 5.5
4. ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
Теплопроводность[2] – 0.18 Вт/(см * К)
Удельная теплоемкость[4] — 0,392 Дж/(г*К)
Относительные коэффициенты термического расширения[5], К-1 –
α║ = 2,4 •10 -6 , α ┴= 3,7 •10 -6
5. ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
ZnGeP2 относится к положительно двулучепреломляющим (ne >no) одноосным кристаллам.
Полезная область прозрачности 2 — 12 мкм.
4.1. Показатель преломления (Формула Сельмейера)
В области прозрачности ZnGeP2 показатели преломления обыкновенного и необыкновенного лучей, измеренные разными авторами, отличаются друг от друга лишь в третьем знаке после запятой. В научной литературе известно несколько аппроксимаций экспериментальных данных формулами Сельмейера: n2 = A + B*λ2 /(λ2 – C) +D*λ2 /(λ2 –E), однако наилучшее соответствие расчетных и экспериментально полученных значений углов синхронизма для наших кристаллов выполняется при использовании аппроксимации Барнса [6], константы которой приведены в таблице:
| Константы аппроксимации |
Обыкновенный луч | Необыкновенный луч |
| A | 4,64467 | 4,71539 |
| B | 5,10087 | 5,26358 |
| C | 0,13656 | 0,14386 |
| D | 4,27777 | 2,3761 |
| E | 1653,89 | 1000,82 |
4.2. Двулучепреломление ZnGeP2 — 0,04
4.3. Нелинейная восприимчивость второго порядка [7,8] — d36= 75±8 пм/В
4.4 Эффективная нелинейная восприимчивость для трехчастотного параметрического взаимодействия [3]:
I тип (ee→0;0→ee) = d36*sin 2θ *cos2φ
II тип (e0→0;0→0e) = d36*sin θ *sin 2φ
4.5. Типичные данные известные из литературных источников по порогу оптического пробоя в зависимости от длительности τ импульсов СО2 лазеров представлен на рисунке
К основным эксплуатационным характеристикам ZnGeP2 можно отнести следующие:
— высокий порог оптического пробоя, позволяющий работать с накачкой импульсными источниками высокой интенсивности;
— хорошая теплопроводность, обеспечивающая возможность работы в условиях высоких уровней мощности излучения, проходящего через кристалл, и устойчивость кристаллов к термоциклированию;
— большие значения величин температурной, угловой и спектральной ширин синхронизма, обеспечивают легкую настройку преобразователей на основе монокристаллов ZnGeP2 на синхронизм и юстировку оптического тракта в целом;
— механическая прочность, позволяющая устойчиво работать в условиях вибраций;
— стойкость кристаллов к условиям повышенной влажности и даже к агрессивным средам.
Совокупность указанных характеристик представляет уникальный набор качеств, делающих нелинейно-оптические преобразователи из монокристаллов ZnGeP2 привлекательными для включения в многочисленные оптические приборы и системы различного назначения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Полупроводники А2В4С52 – под ред. Н.А. Горюновой, Ю.А. Валова – М., Сов. Радио, 1974
2. J.L.Shay and J.H. Wernick — Ternary chalcopyrite Semiconductors: Growth, Electronic properties and Applications – ed/ by B.R. Pamplin, Pergamon Press, NY, 1975
3. V.G. Dmitriev, G.G. Gurzadyan and Nikogosyan “Handbook of nonlinear Optical Crystals”, 2-nd edition, Springer-Verlag, Berlin, 1995
4. Рекламный проспект INRAD Ltd. (USA)
5. Кожина И.И. – Тепловое расширение ряда соединений А2В4С52 – Материалы Всесоюзной конференции «Тройные полупроводники и их применение» — Кишинев, Штиинца, 1976, с. 20-21
6. N.P. Barnes et. all – J.Opt.Soc.Am , 1998, v. B15, p. 232
7. К.Л. Водопьянов, В.Г. Воеводин, А.И. Грибенюков, Л.А. Кулевский – Квантовая электроника, 1987, т. 14, № 9, с. 1815- 1818
8. P.D.Mason, D.J.Jackson and E.K.Gordon, Optics Comm., v. 110, 163 (1994)