ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СННХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2004, < 9, с. 26-29
УДК 548. 522
РОСТ МОНОКРИСТАЛЛОВ ZnSe:Cr ИЗ ПАРОВОЙ ФАЗЫ И РЕАЛИЗАЦИЯ НА ИХ ОСНОВЕ ЛАЗЕРА НА ДЛИНЕ ВОЛНЫ 2.45 мкм
© 2004 г. В. И. Козловский, Ю. В. Коростелин, А. И. Ландман, Ю. П. Подмарьков, М. П. Фролов
Физический институт имени П. Н. Лебедева РАН, Москва, Россия Поступила в редакцию 18.12.2003 г.
Методом свободного роста на монокристаллической затравке выращены монокристаллы 7пБе:Сг с использованием физического транспорта в гелии. Легирование проводилось из паровой фазы непосредственно во время роста. Достигнутая концентрация Сг2+ [5 х 1018 см-3] обеспечивает коэффициент поглощения 4.5 см-1 в максимуме полосы накачки (1.78 мкм). Исследованы лазерные параметры монокристаллов 7пБе:Сг с использованием излучательных переходов на ионах Сг2+. При накачке излучением импульсного Со:М§Р2-лазера с длиной волны 1.67 мкм получена генерация на длине волны 2.45 мкм с дифференциальным КПД 59% по поглощенной энергии, что соответствует квантовой эффективности 87%.
ВВЕДЕНИЕ
Высокий интерес к получению однородных монокристаллов ¿пБе:Сг, проявляющийся в последнее время, вызван успешной реализацией на этом материале перестраиваемого лазера в ИК-диапазоне (2.15-2.65 мкм) [1]. Возможными областями применения таких лазеров являются спектроскопия высокого разрешения, генерация коротких импульсов, дистанционное зондирование атмосферы, а также высокочувствительные методы спектрального анализа [2, 3]. Для достижения предельно высоких характеристик лазеров требуются кристаллы с низкими внутренними потерями, уровень которых в значительной степени зависит от технологии их получения.
Обычно для получения активных элементов ИК-лазеров используют кристаллы 2пБе:Сг, выращенные либо методом Бриджмена, либо полученные диффузионным легированием ионами Сг2+ кристаллов 2пБе, выращенных из паровой фазы химическим или физическим транспортом [1, 4]. В последнем случае на пластину 2пБе наносится слой Сг и проводится длительный высокотемпературный отжиг. В результате удается получить пластину 2пБе:Сг толщиной лишь 1-2 мм с концентрацией Сг до 1019 см-3.
Согласно [1], кристаллы 2пБе:Сг, выращенные из паровой фазы физическим транспортом в атмосфере инертного газа, обладают наилучшими оптическими свойствами и имеют наименьшие потери. Однако этим методом не удалось получить достаточно высокой концентрации Сг2+ (коэффициент поглощения в максимуме полосы поглощения не превышал 2 см-1, что соответствует
концентрации Сг2+ порядка 2 х 1018 см-3). Кристаллы с высокой концентрацией Сг2+ (1.8-8.3) х х 1019 см-3 были выращены из паровой фазы в работе [5]. Для достижения этого результата кристаллы выращивались в вакууме при значительных пересыщениях и высоких температурных градиентах, что, как правило, приводит к существенному ухудшению как оптического, так и структурного качества кристаллов. Кроме того, используемая авторами [5] методика, при которой зародышеобразо-вание происходит в конической части ростовой ампулы без использования затравочного кристалла, позволяет выращивать кристаллы небольшого объема, менее 1 см3. При этом кристаллы состоят из отдельных, разориентированных друг относительно друга монокристаллических блоков, что существенно ограничивает их использование в практических приложениях.
В настоящей работе изучается возможность получения из паровой фазы крупных, более 10 см3, монокристаллов 2пБе:Сг, легированных непосредственно в процессе роста до заданных концентраций Сг2+, и исследуются их лазерные характеристики.
МЕТОДИКА ВЫРАЩИВАНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ 2п8е:Сг
Основной трудностью при выращивании из паровой фазы однородных монокристаллов 2пБе:Сг и достижении высоких концентраций Сг2+ на уровне 1019 см-3, требуемом для получения эффективной лазерной генерации, является существенно более низкое, чем у 2пБе давление паров хрома и его халькогенидов при оптимальных температурах
РОСТ МОНОКРИСТАЛЛОВ 7п8е:Сг ИЗ ПАРОВОЙ ФАЗЫ
27
(а)
Ростовая ампула
Источник Поликристалл 2п8е Поликристалл Сгёе
Растущий монокристалл
Затравка Пьедестал
Опора пьедестала
Печь
Подача газа
(б)
Расстояние, см
40
30
20
10
1000
1100
1200 Т, °С
Рис. 1. Ростовая ампула (а) и температурный профиль печи для выращивания монокристаллов 7п8е:Сг физическим транспортом в гелии (б).
выращивания монокристаллов 2пБе (1100-1200°С). Для преодоления этой проблемы нами была использована методика, разработанная ранее для выращивания монокристаллов твердых растворов соединений А2В6, имеющих значительное (более, чем на порядок величины) различие в парциальных давлениях паров [6, 7]. Основные особенности этой методики следующие: 1) выращивание проводится в условиях, при которых массоперенос осуществляется по диффузионному механизму; 2) в качестве исходных веществ используются бинарные соединения, образующие твердый раствор (в данном случае 2пБе и Сг или Сг-содержащее соединение), которые размещаются в раздельных источниках; 3) регулирование потоков исходных веществ осуществляется путем изменения площади сечения выпускных отверстий источников; 4) смешивание паров исходных веществ проводится непосредственно в зоне роста кристалла.
На рис. 1 показаны ростовая ампула и температурный профиль печи, использованные нами при выращивании монокристаллов 2пБе:Сг. В качестве исходных веществ использовались поликристаллические соединения 2пБе и СгБе, которые были помещены в раздельные источники в верхней части ампулы. СгБе был синтезирован в Институте физики твердого тела РАН (Черноголовка). Затравка - монокристаллическая пластина 2пБе или 2пБе:Сг, ориентированная по плоскости (111), размещалась на кварцевом пьедестале
под источниками. В нижней части ампулы предусмотрен ввод, через который осуществлялась откачка ампулы и подача газов.
На начальном этапе процесса выращивания проводился термический отжиг затравки, при котором затравка находилась в максимуме теплового поля печи. Затем печь перемещалась относительно ампулы в ростовое положение, показанное на рис. 1, при котором в максимуме теплового
Рис. 2. Монокристалл 7п8е:Сг, полученный методом свободного роста из паровой фазы физическим транспортом в гелии. Концентрация Сг2+ 5 х 1018 см-3.
28
КОЗЛОВСКИЙ и др.
Ослабитель
Рис. 3. Схема экспериментальной установки для исследования параметров Сг+2:7п8е-лазера.
поля печи находились источники с исходными веществами. При этом пары 2пБе и СгБе проникали в зону роста кристалла через калиброванные отверстия в источниках и кольцевой зазор между стенками ампулы и источником. Регулирование концентрации Сг в растущем кристалле осуществлялось изменением соотношения площадей выпускных отверстий источников с 2пБе и СгБе, а также изменением температуры роста в диапазоне 1100-1250°С. Выращивание кристаллов проводилось в атмосфере гелия, давление которого поддерживалось равным 1 атм в течение ростового процесса.
РЕЗУЛЬТАТЫ ВЫРАЩИВАНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ 2п8е:Сг
В результате ростовых экспериментов были выращены однородные монокристаллы 2пБе:Сг диаметром 50 мм и высотой 10 мм, легированные до концентраций в интервале 1017-5 х 1018 см-3. Концентрация ионов Сг2+ в выращенных кристаллах определялась исходя из пропускания на длинах волн 1.67 и 1.75 мкм с учетом известного сечения поглощения Сг2+ соответственно 7 х 10-19 см2 и 9 х 10-19 см2. С увеличением концентрации Сг2+ от 1017 до 5 х 1018 см-3 окраска кристаллов изменялась от бледно-красного до темно-бурого. На рис. 2 показан типичный монокристалл 2пБе:Сг с концентрацией Сг2+ 5 х 1018 см-3.
В таблице представлены температура кристаллизации Г, переохлаждение АТ, температурный градиент АТ/АЬ, соотношение площадей выпускных отверстий источников с 2пБе и СгБе Я, коэффициент поглощения а при X = 1.75 мкм и концентрация хрома в выращенных кристаллах С для ряда экспериментов по выращиванию монокристаллов 2пБе:Сг. Первый эксперимент выявил, что понижение температуры выращивания на 80°С от 1195°С до 1115°С в рамках одного эксперимента приводит к существенному снижению концентрации Сг2+. Значительно более сильная зависимость давления насыщенных паров СгБе от температуры по сравнению с 2пБе позволила в последующих экспериментах снизить различие в
давлении насыщенных паров 2пБе и СгБе в зоне источника путем увеличения его температуры. Необходимое увеличением доли Сг в паровой фазе в зоне роста достигалось путем уменьшения соотношения Я, характеризуемого геометрией источника. Эти два фактора позволили довести уровень легирования кристаллов до 5 х 1018 см-3.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ЛАЗЕРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
Оптическая схема экспериментальной установки, на которой изучались лазерные характеристики кристалла, представлена на рис. 3. Использовалась продольная схема накачки. В качестве источника накачки служил импульсный Со:М§Б2-лазер, генерировавший импульсы с энергией до 30 мДж и длительностью 250 мкс на длине волны 1.67 мкм. Резонатор Сг2+:7п8е-лазера был образован плоским выходным зеркалом 3Х и глухим сферическим зеркалом 32. В качестве активного элемента использовался кристалл Сг2+:7п8е с концентрацией Сг2+ 5 х 1018 см-3, изготовленный в
мДж
4
оТ = 2.0% Е, = 1.07 мДж Паъ = 19.6% • Т = 2.5% Е, = 1.31 мДж паЬ! = 23.0% □ Т = 4.4% Е, = 1.39 мДж паЬ! = 30.8% ■ Т = 39% Е, = 2.60 мДж паЬ! = 59.0%
0 2 4 6 8 10
Еаь8, мДж
Рис. 4. Зависимости выходной энергии Сг2+:7п8е -лазера от поглощенной энергии накачки, полученные с различными выходными зеркалами.
3
2
1
РОСТ МОНОКРИСТАЛЛОВ ZnSe:Cr ИЗ ПАРОВОЙ ФАЗЫ
29
Температура кристаллизации Т, переохлаждение ДТ, температурный градиент ДТ/ДЬ, соотношение площадей выпускных отверстий источников с ZnSe и СгБе Я, коэффициент поглощения а и концентрация хрома в выращенных кристаллах С для ряда экспериментов по выращиванию монокристаллов ZnSe : Сг
№ Т, °С ДТ, °С ДТ/Д^, °С/см R а, см 1 C, см-3
1 1195 26 7 0.17 0.35 4 х 1017
1115 26 6 0.17 - -
2 1225 28 8 0.085 1 1.1 х 1018
3 1250 30 8 0.021 4.5 5 х 1018
виде плоскопараллельной пластины с поперечными размерами 10 х 10 мм и толщиной 3 мм.
В экспериментах использовались выходные зеркала
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.