Нелинейный монокристаллический материал

 

Изобретение относится к области физики твердого тела и может быть использовано для преобразования излучения дальней инфракрасной области спектра, а также в параметрических квантовых генераторах, средствах связи, обработке информации. Сущность изобретения: нелинейный монокристаллический материал содержит серебро, галлий, селен и германий в соответствии с химической формулой Ag _xGa_xGe_1-xS₂, где 0,167≤х≤0,37. Полученный материал обладает большим коэффициентом нелинейности, малым коэффициентом поглощения в области спектрального пропускания и большим по сравнению, например с AgGaS₂, значением двупреломления. 2 табл.

Изобретение может быть использовано для преобразования излучения дальней инфракрасной области спектра, а также в параметрических квантовых генераторах, средствах связи, обработке информации.

В литературе известны нелинейные материалы, служащие для создания преобразователей дальнего инфракрасного излучения (Никогосян Д.Б. Кристаллы для нелинейной оптики /справочный обзор/. Квантовая электроника, 4, №1, 5-27, 1977).

К ним относятся AgGaS ₂, AgGaSe₂, Ag₃AsS₃, GaSe и частично другие.

Коэффициент полезного действия (КПД) таких преобразователей излучения возрастает с увеличением коэффициента нелинейности. Так соединения с селеном обладают большим коэффициентом нелинейности по сравнению с сульфидами. Например, отношение соответствующих коэффициентов тензоров нелинейной восприимчивости AgGaSe ₂ и AgGаS₂ составляет:

при длине волны 10,6 мкм. Однако малое двупреломление AgGaSe₂ ограничивает область фазового согласования частот соответствующих процессов.

Наиболее близким к заявляемому материалу является монокристаллический материал AgGaSe₂ , (G.D.Boyd, U.Kasper and J.U.Mс Fee JЕЕЕ Journal of Quantum Electronic 1971, vol-QE, 7, №12, 563-573). Диапазон прозрачности AgGaSe₂ 0,71-18 мкм, порог поверхностного повреждения составляет 2 мВт/см для излучения с длиной волны 10,6 мкм и длительностью импульса 200 нс.

Таблица 1.Дисперсионные характеристики показателей преломления Длина волны в мкмПоказатель преломления n_о n_e1,06 2,702,68 5,32,61 2,5810,5 2,592,56 где n_о- показатель преломления обыкновенной длины волны,n_e - показатель преломления необыкновенной длины волны.

у AgGаSe₂ из-за малого двупреломления ограничена область фазового согласования. Для ее увеличения необходим материал с большим двупреломлением. Низкий коэффициент пропускания в видимой области не позволяет использовать монокристаллы AgGaSe₂ как преобразователи дальнего инфракрасного излучения с области 18 мкм в видимую область или ближнюю инфракрасную область, в которой чувствительны фотопреобразователи.

Целью изобретения является увеличение двупреломления и снижения коэффициента поглощения в области спектра пропускания.

Для достижения указанной цели в состав AgGаSe₂ согласно изобретению дополнительно вводят cеленид германия (GеSe₂). Состав материала должен соответствовать химической формуле AgGaGe_xSe _2(1+x), где 1,7≤x≤5. Монокристаллы выращивают методом Бриджмека-Стокбаргера.

Примеры конкретного выполнения:

Для получения монокристаллического материала состава AgGaGе_хSe_2(1+x), где х=1,75; х=2; х=3; х=4; х=5, подготавливают смеси ингредиентов, содержащие (в вес.%) для:

AgGaGe_1,75Se_5,5 серебра - 14,6; галлия - 9,44;германия - 17,19; селена - 58,77.AgGaGe ₂Se₆серебра - 13,54; галлия - 8,75; германия - 18,23;селена – 59,48. AgGaGe₃Se ₈серебра - 10,5; галлия - 6,79;германия - 21,20; селена - 61,51. AgGaGe₄Se₁₀ серебра - 8,58; галлия - 5,54; германия - 23,09; селена - 62,79.AgGaGe ₅Se₁₂
серебра - 7,25;
галлия - 4,69; германия - 24,39;cелена - 63,67.

Cмесь ингредиентов загружают в кварцевую ампулу и запаивают под давлением 10-3 мм рт.ст. Вещество в ампуле синтезируют медленным повышением температуры в течение 1-1,5 суток до появления полного расплава. Просинтезированные составы AgGaGe_1,75S _5,5, AgGaGe₂S₆, AgGaGe₃ S₈, AgGaGe₄S₁₀ и AgGaGe ₅S₁₂ помещают в вертикальную печь для роста.

Выращивание монокристаллов производят методом Бриджмена-Стокбаргера. Регулирование температуры в печи осуществляют с точностью ±0,5°С. Рост кристаллов проводят со скоростью 14 мм/сутки. После роста образцы отжигают при температуре 650°С в течение 30 дней. Характеристики выращенных монокристаллов приведены в таблице 2. Рентгеноструктурные исследования показали, что выращенные кристаллы относятся к ромбической сингонии, имеют точечную группу симметрии mm 2, пространственную группу - Fdd2.

Монокристаллический материал на основе серебра, галлия, германия и селена обладает большим коэффициентом нелинейности, малым коэффициентом поглощения и большим по сравнению с АgGaSe₂ значением двупреломления, что существенно расширит диапазон фазового согласования. В то же время кристаллы AgGaGe_xSe_2(1+x), где 1,75≤х≤5, являются двуосными, что дополнительно увеличит возможность выбора оптимальных углов фазового согласования (соответственно в плоскостях ХОУ, ХOZ, YOZ). Тогда как у AgGaSe₂ существует только одно значение угла разового согласования для выбранных процессов.

Таблица 2.ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЫРАЩЕННЫХ МОНОКРИСТАЛЛОВХимическая формула соединенияТемпература плавления (°С)Плотность (г/см ³)Параметры решетки (Å) Показатели преломления (λ=1,064 мкм)Оптическая ширина запрещ. зоны (ev) Диапазон прозрачности (мкм) Стойкость к излучению (мВт/см²) Коэффициент нелинейности (см/дин^1/2) AgGaGe_1,75Se _5,57155,44 a=7,02;
b=12,57;
c=23,99. n₁=2,6259;
n ₂=2,6024;
n₃=2,5173. 1,80,58-14 308,2·10^-8 AgGaGe₂Se ₆7175,40 a=7,07;
b=12,20;
c=23,88. n₁=2,6093;
n ₂=2,5074;
n₃=2,4984. 1,70,60-14,5 308,2·10^-8 AgGaGe₃Se ₈7185,30 a=7,12;
b=12,41;
c=23,80. n₁=2,5893;
n ₂=2,4586;
n₃=2,4579. 1,60,65-15 308,2·10^-8 AgGaGe₄Se ₁₀7155,24 a=7,19;
b=12,37;
c=23,72. n₁=2,5841;
n ₂=2,5773;
n₃=2,4374. 1,50,70-15 308,2·10^-8 AgGaGe₅Se ₁₂7135,19 a=7,26;
b=12,32;
c=23,64. n₁=2,5803;
n ₂=2,5683;
n₃=2,4215. 1,40,72-15 308,2·10^-8

Формула изобретения

Нелинейный монокристаллический материал, содержащий серебро, галлий и селен, отличающийся тем, что, с целью увеличения двупреломления и снижения коэффициента поглощения в области спектрального пропускания, он дополнительно содержит германий в количестве, удовлетворяющем химической формуле Ag_xGa_xGe_1-x Se₂, где 0,167≤x≤0,37.