ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2015, том 79, № 2, с. 261-265
УДК 537-862:535-14+535-15
ГЕНЕРАЦИЯ ФЕМТОСЕКУНДНЫХ ИМПУЛЬСОВ В СРЕДНЕМ ИК- И ТГц-ДИАПАЗОНАХ В КРИСТАЛЛАХ GaSe1- xTex
© 2015 г. Д. М. Лубенко1, В. Ф. Лосев1,4, Ю. М. Андреев2,3, Г. В. Ланский2,3, В. А. Светличный3
E-mail: lideru@gmail.com
Выращены кристаллы GaSe, легированные 0; 0.07; 0.38; 0.67; 2.07; 3 и 5 мас. % Te. Кристаллы GaSe:Te (<2.07 мас. %) пригодны для нелинейно-оптических применений. Оптимальный уровень легирования 0,07 мас. % минимизирует потери, увеличивает лучевую стойкость на >20%, твердость — на треть и эффективность преобразования частоты фс-импульсов Тг^аррЫге-лазера в диапазон 8.8—24 мкм и 0.3—3 ТГц-на величину > 50%.
DOI: 10.7868/S0367676515020167
Кристалл селенида галлия (Оа8е) точечной группы симметрии 62т известен с 1934 г., впервые апробирован для нелинейно-оптических применений в 1972 г. [1], а широкое применение нашел в 90-х годах прошлого столетия для генерации терагерцевого (ТГц) излучения методом генерации разностных частот и оптического выпрямления в лабораторных условиях [2—4]. В частности, спектром преобразованных частот, полученных путем генерации разностных частот одной лазерной системы в одном образце кристалла Оа8е, перекрыт неординарно широкий спектральный диапазон 2.7—3540 мкм [3]. Позднее диапазон был расширен до 5640 мкм [4].
Многие уникальные свойства кристалла Оа8е обусловлены его слоистой структурой. Сильная ковалентная связь в пределах слоя и слабая электростатическая связь между слоями обусловливают экстремально высокую анизотропию многих физических свойств и возможность существования четырех (а, в, е, у) политипов, которые можно найти в одном образце кристалла. К неординарным физическим свойствам кристаллов Оа8е относятся экстремально широкий диапазон прозрачности 0.62—20 мкм и >50 мкм, огромное дву-лучепреломление 0.35 на 10.6 мкм, высокая теп-
1 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт сильноточной электроники Сибирского отделения Российской академии наук, Томск.
2 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт мониторинга климатических и экологических систем Сибирского отделения Российской академии наук, Томск.
3 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет".
4 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет".
лопроводность вдоль слоев роста 0.162 Вт/см • К и вторая по величине лучевая стойкость [5—7].
С другой стороны, слоистая структура и специфика межслоевой связи обусловливают предельно низкие механические свойства: нулевую твердость по шкале Мооса и легкость расслоения кристаллов Оа8е. Особенность ростовой технологии (область гомогенности лежит в области дефицита галлия) приводит к наличию большого количества точечных дефектов, в основном вакансий галлия. Эти особенности обусловливают относительно невысокое оптическое качество и большой разброс известных данных о физических свойствах кристаллов Оа8е [5]. В результате определение потенциальных возможностей и применение сантиметровых образцов кристаллов Оа8е во внелабораторных условиях оказывается существенно затрудненным.
Однако соединение Оа8е легко воспринимает изовалентные химические элементы, образующие изоструктурные соединения. Это позволяет выращивать кристаллы твердых растворов с улучшенными механическими, оптическими и другими физическими свойствами из числа ответственных за эффективность процессов параметрического преобразования частоты и эксплуатационные характеристики. Уменьшение оптических потерь происходит благодаря замещению точечных вакансий (галлия) атомами легирующих элементов, что, в свою очередь, приводит к сокращению числа дефектов упаковки слоев в объемную структуру. Упорядочение кристаллической структуры улучшает механические свойства, способствует увеличению эффективности преобразования частоты наносекундных и пикосекундных импульсов в средний ИК-диапазон и более широкому использованию [8—13]. Улучшение физических свойств получено также в результате легирования изова-лентными элементами А1 и Ег [14, 15], не образующими изоструктурных соединений, и путем од-
7
261
262
ЛУБЕНКО и др.
новременного легирования изовалентной серой 8 и неизовалентным Л§ [16]. Улучшение качества кристаллов Оа8е, легированных 8 [17] и Те [9—11] подтверждено повышенной эффективностью генерации ТГц-излучения методом оптического выпрямления. Однако возможности смешения спектральных компонентов излучения фс лазеров с одновременным выполнением условий фазового и группового синхронизмов для генерации сверхкоротких импульсов перестраиваемого излучения среднего ИК- и ТГц-диапазона спектра в легированных кристаллах Оа8е исследованы не были.
В данной работе исследовали преобразование частоты фс Тг.БаррЫгв лазера (центральная длина волны излучения 800 нм) в средний ИК- и ТГц-диапазоны спектра в чистых и легированных Те кристаллах Оа8е высокого оптического качества с выполнением условий фазового синхронизма.
Для изготовления высококачественных образцов кристаллов использован модифицированный метод синтеза поликристаллического материала и модифицированный вертикальный метод выращивания монокристаллов Бриджмена—Стокбаргера. В качестве исходных компонентов брали химические элементы особой чистоты: Оа (99.9997), 8е (99.99) и Те (99.99). Содержание Оа и 8е в ростовой закладке находилось в стехиометрическом соотношении. Легирование кристаллов осуществляли добавкой в ростовую закладку навесок 0.1; 0.5; 1; 2; 3 и 5 мас. % Те. Основная особенность реализованного процесса синтеза заключалась в том, что кварцевая ампула для синтеза ростового материала загружалась на величину до 65% объема для уменьшения количества остаточных газов и соответствующего улучшения качества синтезируемого материала. Кроме того, внутреннюю поверхность ампулы покрывали пиролитическим углеродом для исключения взаимодействия расплава с примесями в стенках синтезной ампулы.
Для достижения эффективного перемешивания и получения высокой однородности расплава ростовой закладки центр симметрии температурного поля в объеме ампулы непрерывно перемещался по незамкнутой траектории путем переключения стержней-нагревателей. Кристаллизацию проводили только после получения однородного состава расплава; при этом ростовые затравки не использовали. Дополнительная информация по использованной ростовой технологии содержится в работе [18].
В исследованиях оптических свойств использованы отслоенные носовые части буль сантиметровых длин. Визуальный отбор показал пригодность для проведения исследования носовых частей из буль, выращенных из материала ростовых закладок с содержанием 0; 0.1; 0.5; 1 и 2 мас. % Те. Установлено, что були с содержанием 3 и 5 мас. % Те непригодны для исследования и использования в качестве преобразователей частоты из-за
обильного количества микропреципитатов теллура. Образцы для детального исследования изготавливали методом аккуратного отслоения и какой-либо дополнительной обработке не подвергали. Поскольку образцы идентичной длины было изготовить трудно, длины изготовленных образцов были близкими: 1.37 (чистый GaSe); 1.21; 1.23; 1.49 и 1.58 мм соответственно возрастающему содержанию Te, что делает результаты сравнения более достоверными.
Реальный состав изготовленных для исследования образцов определен с помощью сканирующего электронного микроскопа SEMQuanta 200 3D (FEI, Нидерланды) с приставкой для микроанализа EDAXECONVI как соответственно GaSe:Te (0; 0.07; 0.38; 0.67 и 2.07 мас. %). С помощью рентгеновского дифрактометра ShimadzuXRD 6000 (Япония) их кристаллическая структура идентифицирована как идентичная структуре s-поли-типа чистого кристалла GaSe, т.е. пригодная для нелинейно-оптических применений.
Оптическое качество образцов оценено по зарегистрированным спектрам поглощения. Спектр поглощения носовых частей буль в диапазоне 190—900 нм определен с помощью спектрофотометра Cary 100 Scan (VarianInc.), а в диапазоне 11000—375 см-1 с помощью ИК-фурье спектрометра Nicolet 6700 (ThermoElectron-Corp.). Установлено, что значение коэффициентов поглощения для лучших по оптическому качеству образцов, содержащих 0; 0.07 и 0.38 мас. % Te, лежит в пределах 0.03-0.05 см-1, что в 2-3 раза ниже значений коэффициентов поглощения для кристаллов, выращенных по обычной технологии Бриджмена-Стокбаргера. Измерения в диапазоне 0.3-3 ТГц проведены с помощью терагерцево-го спектрофотометра с временным разрешением (THz-TDS) обычной компоновки с разрешением 3.75 ГГц. При определении спектров поглощения кристаллов в качестве источника излучения использовано излучение дипольного типа со смещением собственного изготовления на основе кристалла GaAs.
Характеризация зарегистрированных спектров поглощения ТГц диапазона была затруднена сложным изменением среднего уровня потерь с легированием и сопутствующим наложением сложной трансформации фононных спектров поглощения. Измеренный средний коэффициент поглощения для волн обыкновенной поляризации для кристаллов с содержанием Te 0; 0.07; 0.38 мас. % составил от 0.3 до 1.2 см-1 в зависимости от длины волны, что в 2-3 раза ниже значений, определенных для кристаллов, выращенных по традиционной технологии, что соответствует данным работы [10] и противоречит данным работы [19]. Установлено, что минимальный уровень потерь имеет кристалл легированный 0.07 мас. % Te. Трансформация фонон-
ГЕНЕРАЦИЯ ФЕМТОСЕКУНДНЫХ ИМПУЛЬСОВ
263
Длина волны, мкм
18 -
—1
16 _ ......3 -—4
- . 4 v^4
14 -
12 - " - -. Г
10 -
8-1-1-1-1-1-1
40 45 50 55
®(вн^ град
Рис. 1. Сдвиг кривых фазового синхронизма кристаллов Оа8е с уровнем легирования теллуром: 1 — не легированный кристалл; 2 — кристалл легированный 0.07 мас. % Те; 3 - 0.38 мас. %; 4 - 0.67 мас. %; 5 -2.07 мас. %.
Мощность, отн. ед.
Длина волны, мкм
Рис. 2. Спектральные характеристики фс-импульсов Т1:8аррЫге-лазера, преобразованных по часто
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.