ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА КРИСТАЛЛЕ ZnGeP2

Полезная модель относится к области оптоэлектроники, в частности, к параметрическим преобразователям оптического излучения на основе кристаллов ZnGeP2, и может быть использована в нелинейной оптике при изготовлении приёмников длинноволнового ИК-излучения, работающих при комнатных температурах, генераторов второй гармоники, смесителей оптического излучения.
-6
Известен параметрический преобразователь оптического излучения, в котором используется элемент, представляющий собой нескольких слоёв окиси цинка, выращенных на подложке из сапфира. При этом элемент должен обладать совершенной поверхностью и точно выдержанной по площади толщиной плёнки 0,2-0,8 мм [1]. Параметрический преобразователь изготавливают таким образом, чтобы оптическая ось монокристаллической плёнки была ориентирована перпендикулярно к поверхности плёнки, что позволило получить преобразование длины волны для твердотельного Nd:YAG лазера с длиной волны 1.064 мкм в излучение с длиной волны 0,532 мкм с коэффициентом преобразования 4.9⋅10
Основными недостатками такого преобразователя является:
-6
1 - очень низкие значения коэффициента преобразования (не более 4.9⋅10);
2 - чрезвычайно сложная технология выращивания тонких слоев, что приводит к низкому выходу структур, пригодных для изготовления преобразователя (не более 10% от получаемых слоёв).
Полупроводниковое соединение цинк-германиевый дифосфид ZnGeР2 является перспективным материалом нелинейной оптики. Кристалл ZnGeР2 имеет структуру халькопирита с естественным тетрагональным сжатием решётки (2-с/а)=0.04, где а - постоянная решётки, с - ось тетрагонального сжатия, что приводит к возможности двулучепреломления без приложения внешней деформации к кристаллу. Спектр прозрачности этих кристаллов находится в диапазоне от 0,77 до 12 мкм [2]. Высокое значение тензора нелинейной восприимчивости и наличие 90-градусного синхронизма в данном соединении обеспечивает возможность преобразования далекого инфракрасного (ИК) излучения, например, излучения СО2-лазера, в более коротковолновое ИК или видимое излучение. При таком преобразовании выполняется соотношение
ν3 = ν1 + ν2                           (1)
где ν1- частота длинноволнового сигнального излучения,
ν2 - частота излучения накачки,
ν3 - частота регистрируемого излучения
Сигнальное излучение ν1 и излучение лазера накачки ν2 поступает в кристалл ZnGeР2, где происходит смешивание сигналов. В результате на выходе кристалла имеем сигналы с частотами ν1, ν2 и ν3, где ν3 - частота регистрируемого излучения, определяемая из соотношения (I).
Основное назначение таких преобразователей состоит в том, чтобы преобразовывать сигнал длинноволнового ИК-излучения ν1, для которого отсутствуют высококачественные приемники излучения, в более коротковолновнй сигнал, для которого такие приемники имеются, например, фотоэлектронные умножители.
При воздействии на кристалл излучения с частотой ν2 в направлении синхронизма излучение с частотами ν1 и ν3 усиливается вдоль направления распространения.
Существенным достоинством преобразователей является то, что они работают при комнатных температурах, в то время как для работы длинноволновых ИК-приемников необходимо охлаждение до азотных или гелиевых температур.
Основным параметром преобразователя является коэффициент преобразования Кпр, который определяется из соотношения  Кпр=P3/P1, где P1 - мощность сигнального излучения, Р3 - мощность регистрируемого излучения.
Величина коэффициента преобразования Кпр параметрического приемника зависит от оптической прозрачности кристалла ZnGeР2 на частотах излучения ν1, ν2 и ν3.
Для кристаллов, используемых в нелинейной оптике, требуются малые значения коэффициента поглощения в области частот ν1, ν2 и ν3, что ограничивает возможности применения ZnGeР2 для изготовления приемников ИК-излучения, генераторов второй гармоники, смесителей частот.
-1
Известно, что кристаллы ZnGeР2, независимо от способа выращивания, имеют значительное оптическое поглощение в области частот ν1, ν3  Средняя величина коэффициента поглощения α в области частот ν1, ν3 в этом соединение обычно больше 10 см, причем имеет место большой разброс величины α по длине слитка [3]. Предполагается, что оно обусловлено хаотичностью ростовых дефектов в данном соединении. Известен параметрический преобразователь излучения с использованием кристаллов цинк-германиевого дифосфида, основанный на снижении коэффициента оптического поглощения за счет управления отклонением состава кристалла от чистоты вещества в отношении примесей [4] (прототип).
В прототипе в качестве преобразующего элемента используют монокристалл ZnGeР2 с избытком фосфора или ZnP2. Затем из слитка выбирают кристаллы с наиболее низким коэффициентом поглощения и ориентируют его. Авторам удалось получить кристаллы с наиболее низким коэффициентом поглощения при составе расплава 51,25 мол. % ZnP2 и 48.72 мол % Ge.
Недостатком [4] является:
- достигаемый коэффициент преобразования мал, обычно Кпр ~ 0,05 (получен на основании оценки оптических потерь на ввод и вывод излучения).
- неоднородность вещества по оптическому поглощению, что требует операции по тщательному отбору материала (выход годной продукции менее 10 %).
За прототип нами принят параметрический преобразователь оптического излучения на кристаллах цинк-германиевого дифосфида, характеризуемый тем, что в качестве преобразователя используют кристалл ZnGeР2 с избытком фосфора или ZnP2. Для увеличения коэффициента преобразования производят разбраковку образцов по оптической прозрачности, выбирая образцы с коэффициентом поглощения в области частот ν1, ν3 не более 10 см-1. Основные недостатки известного устройства отмечены выше.
Целью настоящей полезной модели является создание параметрического оптического преобразователя излучения с увеличенным коэффициентом преобразования, что повысит, как следствие, процент пригодных к промышленному использованию выращенных кристаллов.
17
19
-2
Цель достигается тем, что в известном преобразователе излучения используют кристалл цинк-германиевого дифосфида, предварительно облученный электронами в интервале доз 5⋅10-1⋅10 см при температуре не выше 200°С.
V
V+
V+
V
V
В процессе изучения влияния радиационных дефектов на физические свойства кристалла исследователями Сибирского физико-технического института при ТГУ установлено, что в кристаллах ZnGeP2 имеются уровни ростовых дефектов, энергетически расположенные на (0,5–0,6) эВ выше потолка валентной зоны Е (обозначим эту зону Е). Поскольку уровень Ферми в образцах ZnGeР2, используемых в известных аналогах, расположен ниже упомянутой энергетической зоны, за оптическое поглощение в области частот ν2, ν3 ответственны оптические переходы электронов из валентной зоны на уровни Е , т.е. на уровни от (Е+0,5) эВ до (Е+0,6) эВ.
17
-2
V+
В результате облучения ZnGeР2 электронами уровень Ферми смещается в направлении Еg/2, где Еg = 2,2 эВ - ширина запрещенной зоны ZnGeР2. При облучении электронами в дозах 5⋅10 см и выше уровень Ферми пересекает уровни ростовых дефектов Е, которые вследствие этого заполняются электронами. Это приводит к уменьшению интенсивности оптических переходов валентная зона - зона ростовых дефектов и к снижению коэффициента оптического поглощения кристалла в области частот ν2, ν3.
17
19
-2
17
-2
19
-2
V
Для облучения кристаллов разной величины использовали высокоэнергетические потоки с энергией 2,3-5,6 МэВ. Диапазон дозы облучения электронами 5⋅10-1⋅10 см определяется из условия получения коэффициента преобразования Кпр>0,05. При дозах электронов, больших 5⋅10 см, уровень Ферми перемещается выше уровней (Е+0,5) эВ, оптические переходы на эти уровни запрещены, кристалл прозрачен в области частот ν2, ν3, а величина Кпр больше, чем в прототипе. Доза электронного облучения больше 1⋅10 см  не целесообразна, т.к. начинается поглощение на радиационных дефектах, введенных облучением, что приводит к уменьшению прозрачности кристалла и уменьшению коэффициента преобразования до величин Кпр≤0,05.
Температура облучения не должна превышать 200 С для предотвращения распада введённых облучением радиационных дефектов. При температурах ниже 200°С указанные дефекты стабильны и коэффициент преобразования не изменяется во времени.
Пример конкретного выполнения устройства:
2
Общая схема испытания параметрического преобразователя оптического излучения на облученном кристалле ZnGeP2 показана на фиг.1. Цифрами на схеме обозначены: 1 – источник длинноволнового ИК-излучения; 2 – элемент, совмещающий сигнальное излучение с излучением накачки; 3 – диафрагма; 4 – облученный электронами кристалл ZnGeP; 5 и 6 – фильтры излучения накачки; 7 – регистратор; 8 – визуализатор; 9 – источник излучения накачки.
10
-3
пр2
В реализованных примерах параметрического преобразователя оптического излучения использовали кристаллы ZnGeP2, выращенные методом Бриджмена. Кристаллы имели р-тип проводимости с концентрацией дырок (3-5)⋅10 см при комнатной температуре. Оптическую ось кристалла определяли рентгеновским методом с помощью установки УРС-50 и монтировали в устройстве с возможностью поворота в плоскости синхронизма. Исследование коэффициента Кпр устройства проводили по методике, идентичной прототипу [4]. Мощность регистрируемого излучения сравнивали обработкой сигналов высокочувствительного ФЭУ. Сравнение коэффициентов К преобразователя на кристаллах, облученных электронами при различных дозах облучения с устройством на кристаллах с регулируемой примесью приведено в таблице.
Таблица 1.
пр2
пр1
Как видно из таблицы, коэффициент К преобразователя с новым существенным признаком в 4-6 раз превышает коэффициент преобразования Кпрототипа (до P3/P1 ≈ 0.31), что повышает процент работоспособных кристаллов с малой прозрачностью (образцы 2 – 3).
Проведенный анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявляемого устройства позволяет установить, что заявителем не обнаружены технические решения, характеризующиеся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленной полезной модели. Определение наиболее близкого аналога позволило выявить в заявляемом объекте совокупность существенных отличительных признаков, изложенных в формуле полезной модели и позволяющих достигнуть заявленный заявителем технический результат, что говорит о соответствии заявляемой полезной модели критерию "новизна".
Цитируемая литература:
1. Tadashi Shiosaki and el. Second Harmonic Generation in As-Sputtered ZnO Optical Waveguide. Japanese Journal of Applied Physics 19(12):2391- · December 1980.
2. Г.Г. Гурзадян, Нелинейно-оптические кристаллы: Свойства и применение в квантовой электронике: Справочник Издательство: Радио и связь, 1991 г.
3. E. Buehler. Система ZnP2-Ge и рост монокристаллов ZnGeP2. J.Electr. Materials, 1973, 2, №3, pp. 445-454.
4. Н. П. Андреева, С. А. Андреев, И. Н. Матвеев, С. M. Пшеничников, Н. Д. Устинов, Параметрическое преобразование излучения ИК диапазона в цинк-германиевом дифосфиде, Квантовая электроника, 6:2 (1979), 357–359 (прототип).