Influence of line-by-line processing technology on the optical breakthreshold of a ZnGeP₂ single crystal.pdf Введение ZnGeP2 является нелинейным положительным (ne > no) одноосным кристаллом с кристаллической решеткой типа халькопирит [1, 2]. ZnGeP2 по сравнению с прочими нелинейными кристаллами имеет высокое значение нелинейной восприимчивости 75∙10-12 м/В и коэффициент теплопроводности 36 Вт/(м∙К) [1, 2]. Область приложений ZnGeP2 для решения практических задач - это создание оптических приборов, работающих на принципах нелинейной оптики в среднем ИК- и ТГц-диапазоне спектра. Стоит отметить, что надежная долговременная работа мощных нелинейных преобразователей на основе ZnGeP2 ограничивается эффектом оптического пробоя [3-6]. В связи с этим, в частности, потенциал практического использования мощных параметрических генераторов среднего ИК-диапазона с накачкой излучением в области длин волн ~ 2.1 мкм связан с необходимостью определения технологических факторов, влияющих на порог оптического пробоя. Проблеме оптического пробоя ZnGeP2 в области длин волн ~ 2.1 мкм посвящено довольно много опубликованных ранее работ [7-12]. В этих работах было показано, что оптический пробой ZnGeP2 связан с уровнем плотности энергии пучка накачки и почти не зависит от интенсивности излучения [7]. Было показано, что уменьшение шероховатости рабочих поверхностей и удаление приповерхностного трещиноватого слоя приводит к увеличению порога оптического пробоя [8]. Порог оптического пробоя ZnGeP2 с просветляющими покрытиями на длине волны 2.05 мкм составил ~ 2-4 Дж/см2 при частотах следования импульсов ~ 10 кГц [8], что является в 5 раз меньшим значением по сравнению с порогом пробоя кристалла под действием излучения при частоте следования импульсов ~ 1 Гц на длине волны ~ 2.1 мкм [7]. Динамическая визуализация процесса пробоя лазерным излучением Ho:YAG-лазера (2.097 мкм) в объеме ZnGeP2 показала, что в формирующемся треке пробоя внутри нелинейного кристалла происходит лавинообразный рост температуры [10]. Повышение порога пробоя ZnGeP2 с уменьшением длительности импульсов излучения накачки [12] связывалось с переходами из валентной зоны на уровни точечных дефектов кристалла [13], что свидетельствует в пользу термической природы пробоя ZnGeP2 для наносекундных импульсов за счет аномального инфракрасного поглощения. В [14] было показано, что при охлаждении кристалла до температуры -60° порог оптического пробоя увеличивается в 1.5-3 раза вплоть до 9 Дж/см2 на длине волны воздействующего лазерного излучения 2.091 мкм и частоте следования импульсов ~ 10 кГц. Таким образом, большой разброс значений порога оптического пробоя кристалла ZnGeP2 и различие интерпретаций результатов исследований, приведенных в предыдущих работ, показывают, что физические механизмы этого негативного эффекта и его зависимость от технологии производства кристаллов и параметров экспериментов остаются не вполне выясненными. Целью исследований, представленных в данной работе, является определение влияния дефектной структуры объема кристаллов ZnGeP2 и параметров просветляющего интерференционного покрытия на порог оптического пробоя кристаллов ZnGeP2 под действием лазерного излучения на длине волны 2.097 мкм. 1. Исследуемые образцы и их параметры Для исследований оптического пробоя использовались два образца монокристалла ZnGeP2: образец № 1 с размерами 6×6×20 мм, вырезанный из кристалла ZnGeP2 (I) (производства ООО «ЛОК», г. Томск) под углами θ = 54.5° и φ = 0° относительно оптической оси c нанесенным на рабочие грани просветляющим интерференционным покрытием; образец № 2, изготовленный в Харбинском технологическим институте (Китай) с размерами 6×6×20 мм, который был вырезан из кристалла ZGP (II) под углами θ = 57.2° и φ = 0° относительно оптической оси c нанесенным на рабочие грани просветляющим интерференционным покрытием. Монокристаллы ZnGeP2 были выращены методом Бриджмена в вертикальном направлении на ориентированную затравку; рост производился из расплавленного поликристаллического соединения, предварительно синтезированного двухтемпературным методом [15]. Поглощение излучения на длине волны 2.097 мкм у образца № 1 составило 0.03 см-1, а у образца № 2 - 0.031 см-1. Перед началом исследования был определен фазовый состав исследуемых образцов при помощи рентгеноструктурного анализа. По результатам рентгеноструктурного анализа не было выявлено посторонних фаз во всех исследуемых образцах (таблица). Результаты рентгеноструктурного анализа исследуемых образцов Образец Обнаруженные фазы Содержание фаз, мас.% Параметры решетки, Ǻ Монокристалл I ZnGeP2 100 a = 5.4707 c = 10.7056 Монокристалл II ZnGeP2 100 a = 5.4706 c = 10.7064 C помощью цифровой голографической камеры DHC-1,064 производства ООО «ЛОК» получены голограммы внутреннего объема исследуемых образцов. Было проведено восстановление полученных цифровых голограмм с целью характеризации объемных дефектов. Предельное разрешение метода составляло 3 мкм (подробное описание методики цифровой голографии, в том числе применительно к визуализации дефектов в ZnGeP2, и описание используемой голографической камеры приведено в [16-18]). В обоих образцах, используемых в данной работе, не было выявлено объемных дефектов. Контроль профиля рабочих поверхностей исследуемых образцов до нанесения интерференционных покрытий осуществлялся при помощи профилометра ZYGO NewView 7300, работающего на основе интерферометрии белого света. Для каждого экспериментального образца были исследованы участки поверхности размером 110×110 мкм и выполнены оценки следующих параметров: максимальной разницы высоты и глубины неоднородностей на поверхности (PV); среднеквадратичной глубины шероховатости (RMS). Для образца № 1 PV = 31.372 нм, RMS = 0.442 нм. Для образца № 2 PV = 54.67 нм, RMS = 6.28 нм. На образец № 1 было нанесено многослойное просветляющее покрытие на основе чередования слоев соединений Nd2O5 и SiO2 общей толщиной ~ 2900 нм. На образец № 2 было нанесено многослойное просветляющее покрытие на основе чередования слоев соединений YbF3 и ZnS с суммарной толщиной слоев ~ 800 нм. На рис. 1 приведены спектры отражения образцов № 1 и 2 с нанесенными интерференционными покрытиями, полученные при помощи фурье-спектрометра фирмы «Simex». При помощи сканирующего электронного микроскопа с катодом Шоттки Tescan MIRA 3 LMU («TESCAN ORSAY HOLDING», Brno, Czech Republic), оборудованного энергодисперсионным рентгеновским спектрометром Oxford Instruments Ultim Max 40 («Oxford Instruments», High Wycombe, UK), производился анализ морфологии интерференционных покрытий и состава исследуемых образцов. Сканирование выполнено при ускоряющем напряжении (HV) 20 кВ. На образцы было нанесено углеродное токопроводящее покрытие в установке Quorum Technologies EMITECH K450X («Quorum Technologies», Laughton, UK). Как показали исследования, в образце № 1 в слоях интерференционного покрытия были обнаружены конгломераты кремния субмикронного размера (рис. 2, б). В образце № 2 дефектов интерференционного просветляющего покрытия обнаружено не было. Рис. 1. Спектры отражения рабочих граней образцов № 1 и 2 с нанесенными интерференционными покрытиями Рис. 2. Морфология и химический состав интерференционных покрытий образцов № 1 и 2: а - изображение поверхности интерференционного покрытия образца № 1; б - увеличенное изображение конгломерата кремния и химический состав покрытия; в - изображение поверхности интерференционного покрытия образца № 2 2. Параметры установки и методика определения порога оптического пробоя В качестве источника излучения использовался Ho:YAG-лазер, генерирующий излучение на длине волны 2.097 мкм с накачкой непрерывным тулиевым волоконным лазером. Ho:YAG-лазер работал в режиме активной модуляции добротности с длительностью импульсов τ = 35 нс и частотой следования импульсов 10 кГц. Измеренный диаметр составил во всех экспериментах d = (360±10) мкм по уровню е-2 от максимальной интенсивности. Максимальная средняя мощность излучения, генерируемого Ho:YAG-лазером, составляла 20 Вт в линейно-поляризованном гауссовом пучке (параметр M2 ≤ 1.3). Схема экспериментального стенда представлена на рис. 3. Изменение мощности падающего лазерного излучения осуществлялось при помощи аттенюатора, состоящего из полуволновой пластинки (λ/2) и поляризационного зеркала (M1). Для предотвращения попадания отраженного излучения в лазер использовался изолятор Фарадея (F.I.), что препятствовало неконтролируемому изменению параметров воздействующего излучения. Средняя мощность лазерного излучения (Pav) измерялась перед каждым экспериментом измерителем мощности Ophir (P.M.). Рис. 3. Оптическая схема экспериментальной установки; 1 - Ho:YAG лазер; F.I. - изолятор Фарадея; λ/2 - полуволновая пластинка; M1 - поляризационное зеркало; L - линза; P.M. - измеритель мощности Ophir Согласно международному стандарту ISO11146 [19], плотность энергии лазерного излучения определялась следующим выражением: W = 8Pav /(fπd2), (1) где d - диаметр пучка лазерного излучения. Для определения порога оптического пробоя образцов использовалась методика «R-on-1», которая требует меньше места на поверхности образца по сравнению с методикой «S-on-1» и поэтому может быть применена для образцов с ограниченной апертурой, однако считается более грубой [20]. Суть этой методики заключается в том, что каждая отдельная область кристалла облучается лазерным излучением при последовательном повышении интенсивности лазерного излучения до тех пор, пока не произойдет оптический пробой или не будет достигнуто заранее заданное значение плотности энергии. В нашей работе исследование проводилось с длительностью экспозицией τex = 5 с. Исследуемый образец подвергался воздействию пакетов лазерных импульсов с фиксированным уровнем плотности энергии, не вызывающим повреждения поверхности кристаллов. Далее уровень плотности энергии увеличивался с шагом ~ 0.1 Дж/см2. При появлении видимого повреждения на одной из поверхностей нелинейного элемента эксперимент прекращался. Затем образец перемещался на 0.8 мм по высоте или ширине при помощи двухкоординатной подвижки; эксперимент повторялся 5 раз. Вероятность оптического пробоя была получена путем построения графика кумулятивной вероятности в зависимости от плотности энергии оптического пробоя. За значение порога оптического пробоя (W0d) принималась величина плотности энергии, соответствующая аппроксимации вероятности оптического пробоя к нулевому значению. На рис. 4 представлены результаты измерения порога оптического пробоя по методике R-on-1. На представленных графиках по оси ординат отложена вероятность оптического пробоя в относительных единицах, нормированная на единицу, а по оси абсцисс - плотность энергии тестирующего лазерного излучения. 3. Экспериментальные результаты и их обсуждение По методике R-on-1 с использованием экспериментального стенда, представленного на рис. 3 были определены величины порога оптического пробоя образцов № 1 и 2 (рис. 4). Таким образом, порог оптического пробоя образца № 1 (производства ООО «ЛОК», Россия) составил W0d = 1.8 Дж/см2, а порог оптического пробоя образца № 2 (производства Харбинского технологического института, Китай) - W0d = 2.1 Дж/см2. Оба исследуемых образца имели малое поглощение на длине волны воздействия, что свидетельствует о малой концентрации точечных дефектов, влияющих на интенсивность поглощения. Поскольку в обоих исследуемых образцах не обнаружено наличие бинарных фосфидов, примесных элементов и объемных дефектов, что свидетельствует о хорошем качестве кристаллической структуры монокристалла, то полученные данные различия порога оптического пробоя можно объяснить наличием конгломератов Si в образце № 1, которые могут являться «затравочными неоднородностями» для инициализации процесса оптического пробоя за счет локальных механических напряжений и рассеивания лазерного излучения. Рис. 4. Зависимость вероятности оптического пробоя образцов № 1 ( ) и № 2 (□) от плотности энергии падающего лазерного излучения Заключение В ходе проведенных исследований был определен порог оптического пробоя на длине волны воздействующего лазерного излучения 2.097 мкм при частоте следования импульсов 10кГц и длительности импульсов 35 нс монокристаллов ZnGeP2 российского и китайского производства, который составил W0d = 1.8 и 2.1 Дж/см2 соответственно. Было установлено, что наличие конгломератов кремния в интерференционном просветляющем покрытии российского образца приводит к уменьшению порога оптического пробоя нелинейного кристалла за счет локальных механических напряжений и рассеивания падающего лазерного излучения, даже при отсутствии объемных и линейных дефектов самого кристалла. Работа выполнена с использованием оборудования Томского регионального центра коллективного пользования ТГУ.

Скачать электронную версию публикации