Influence of the preparation conditions on optical properties of single crystals ZnGeP₂ in THz range.pdf Оборудование и методика обработки результатов измерений Оптическое пропускание образцов контролировалось ИК-фурье-спектрометром (спектральный диапазон 2-14 мкм). Для определения порога оптического пробоя на длине волны 2.09 мкм использовался лазер Tm,Ho:YLF со средней мощностью 4 Вт, длительностью импульсов 15 нс при частоте следования импульсов 10 кГц. Диаметр пучка на поверхности образца после фокусировки составлял 130 мкм по уровню 1/e2, M2 = 1.1. В качестве количественного критерия пробоя использовалась пиковая плотность энергии в соответствии с [4]. В ТГц-диапазоне исследования свойств кристаллов ZnGeP2 выполнялись на установке, включающей миллиметрово-субмиллиметровый волновой квазиоптический спектрометр STD-21 и интерферометр Маха - Цандера IMZ TD-01. Экспериментально измерялось пропускание Tr плоскопараллельного образца и фазовый сдвиг излучения, прошедшего через исследуемый образец. С помощью программного обеспечения, встроенного в блок обработки, решалась система двух уравнений с двумя неизвестными (n - показатель преломления, k - коэффициент экстинкции). Терагерцовый спектральный интервал находится в области высокой прозрачности образцов ZnGeP2, а толщина исследуемых образцов оказывается одного порядка с длиной волны падающего излучения, поэтому в объеме пластин реализуется многолучевая интерференция (или эффект Фабри - Перо). В этом случае коэффициент поглощения и показатель преломления могут быть измерены только из спектров пропускания. Пренебрегая рассеянием, т.е. считая, что основной вклад в коэффициент экстинкции в ТГц-диапазоне связан только с процессами поглощения излучения, для рабочей формулы расчета коэффициента поглощения исследуемого образца можно использовать следующее выражение: a(ν) = - ln[Tr max(ν)]/d, где a(ν) - коэффициент поглощения, Tr max(ν) - пропускание плоско-параллельного образца на частоте ν максимума пропускания [5] и d - толщина исследуемого образца. В предположении слабого изменения показателя преломления для двух соседних максимумов спектров пропускания nm-1 = nm ≈ const рабочая формула для расчета показателя преломления по результатам измерений на установке STD-21 имеет вид n(ν) = c / 2d Δν, где Δν = νm - νm-1; νm и νm-1 - частоты двух соседних максимумов пропускания. Образцы и исследования Исследовались оптические характеристики образцов с разной ориентацией, вырезанных из кристаллов ZnGeP2, которые выращены методом Бриджмена в вертикальном варианте на затравочные кристаллы из номинально стехиометрических расплавов соединения, предварительно синтезированного двухтемпературным способом [6]. Исходные данные, условия термообработки и результаты измерений образцов сведены в таблицу. Из шести образцов два были в состоянии «после роста», т.е. не отжигались, а из четырех отожженных образцов один имел ориентацию (001), отличающуюся от всех других, с ориентацией (100). Послеростовая обработка образцов производилась путем отжига при T = 600 oC в течение 300 ч в присутствии порошкообразного соединения. Оптические свойства кристаллов ZnGeP2 в среднем ИК-диапазоне № п/п Ориентация апертурных плоскостей Степень технологической проработки Коэффициент поглощения α (λ = 2 мкм), см-1 Порог пробоя Dt, Дж/см2 1 001 Термообработка 0.21 0.86 2 100 Термообработка 0.22 0.7 3 100 Термообработка 0.23 0.71 4 100 Термообработка 0.21 0.86 5 100 «После роста» 0.69 0.79 6 100 «После роста» 0.742 0.77 Проведенные исследования показали, что, несмотря на значительную (3-кратную!) разницу в уровне коэффициентов поглощения ИК-излучения (λ = 2 мкм) образцов, прошедших термообработку (№ 1-4), относительно образцов «после роста» (№ 5 и 6), разброс значений порога оптического пробоя не превышает 10 % от среднего значения по всей партии. Селективное поглощение кристаллов ZnGeP2 в диапазоне 0.8-2.2 мкм связано, как известно [7, 8], с точечными дефектами, следовательно, отсутствие корреляции между порогом пробоя и 2-мкм поглощением кристаллов ZnGeP2 свидетельствует о том, что порог пробоя не зависит от концентрации точечных дефектов, а связан с другими механизмами оптических потерь. Спектры коэффициента поглощения термообработанных образцов ZnGeP2 (температура отжига - 600 оС, время отжига - 300 ч) в ТГц-диапазоне представлены на рис. 1 и 2. Рис. 1. Вариация коэффициента поглощения в кристаллах ZnGeP2 после термообработки, о-луч Рис. 2. Анизотропия коэффициента поглощения в термообработанном кристалле ZnGeP2 Рис. 3. Спектры коэффициента поглощения α образцов ZnGeP2 (№ 6 - «после роста», № 4 - после термообработки) в ТГц-диапа¬зоне с поляризацией о- и е-лучей Из полученных данных следует, что уровень поглощения кристаллов ZnGeP2 в ТГц-диапазоне может варьироваться в 2- 4 раза в зависимости от рабочего интервала длин волн (рис. 1). Кроме того, при выборе типа взаимодействия следует учитывать, что поглощение излучения с поляризацией необыкновенного луча значительно выше, чем для излучения с поляризацией обыкновенного луча (см. рис. 2). Представленные на рис. 3 сравнительные данные по поглощению для образцов ZnGeP2 «после роста» и «после термообработки» показывают, что поглощение термообработанных образцов заметно выше, чем у образцов в состоянии «после роста». Это обстоятельство заставляет искать компромисс между снижением при термообработке поглощения в области длин волн накачки и ростом поглощения в ТГц-диапазоне. Поэтому в последующих исследованиях основное внимание следует уделить выявлению зависимости коэффициента поглощения излучения в ТГц-диапазоне от условий отжигов. Заключение Послеростовые термообработки кристаллов ZnGeP2 влияют на их поглощение в терагерцовом диапазоне. При термообработке кристаллов ZnGeP2 наблюдается антикорреляция между поглощением в ИК-диа¬пазоне и возрастающем поглощением излучения ТГц-диапазона. Выявленная зависимость наблюдается для излучения с поляризацией обыкновенного и необыкновенного лучей. Значения коэффициентов поглощения кристаллов ZnGeP2 в ТГц-области для обыкновенного луча существенно ниже, чем у необыкновенного. Полученные в работе результаты требуют тщательного подбора режимов термообработки кристаллов ZnGeP2 и их технологической подготовки с целью минимизации суммарного поглощения на всех трех рабочих длинах волн, как в ИК-, так и в ТГц-диапазонах спектра. Кроме того, данные, полученные о поведении коэффициентов поглощения для обыкновенной и необыкновенной волн, играют важную роль при выборе того или иного типа синхронизма в процессе преобразования частоты излучения из ИК- в ТГц-диапазон на основе нелинейных кристаллов.

Скачать электронную версию публикации