Монокристаллический материал для нелинейной оптики

 

Изобретение относится к области физики твердого тела, а именно к материалам для нелинейной оптики, и может быть использовано в различных устройствах квантовой электроники. Сущность изобретения: монокристаллический материал содержит серебро, галлий, серу и германий при следующем соотношении компонентов, вес.%: серебро 28,51, галлий 18,42, сера 19,18, германий 33,89 и соответствует химической формуле AgGaGeS₄. Полученный материал является оптически однородным, без трещин, полисинтетических двойников и включений посторонних фаз и позволяет производить преобразования из ИК-области спектра (λ=10,6 мкм) в видимую область спектра (λ<0,56 мкм) с более низким коэффициентом поглощения α=0,04 см^-1 и с большим порогом оптического пробоя Р≥50 мгв/см². 1 пр.

Изобретение относится к области физики твердого тела, а именно к материалам для нелинейной оптики, и может быть использовано для преддетекторного преобразования инфракрасной частоты в светолокационных установках, параметрических квантовых генераторах, спектроскопии и других устройствах квантовой электроники.

Известен нелинейный монокристаллический материал HgGa₂S₄, позволяющий осуществлять преобразования из средней инфракрасной (10,6 мкм) в ближнюю область спектра (В.В.Бадиков, И.Н.Матвеев, В.Л.Панютин, А.Э.Розенсон, Н.К.Троценко, Н.Д.Устинов, С.М.Пшеничников, О.В.Рычик, Т.М.Репяхова "Выращивание и оптические свойства тиогаллата ртути", "Квантовая электроника", 6, №8, (1979)).

Однако, HgGa₂S₄ имеет ограниченный спектр пропускания в коротковолновой области, что не позволяет преобразовывать ИК-излучение в видимый диапазон.

Наиболее близким к заявляемому материалу является монокристаллический материал AgGaS₂ (G.D.Boyd, H.Kasper and J.U.McFee JEEE Journal of Quantum Electronic 1971, vol. QE7, №12 563-513). Тиогаллат серебра является материалом, позволяющим осуществить преобразования из инфракрасной области спектра непосредственно в видимую область спектра (λ ₃=0,566 мкм) при накачке Dye лазером λ ₂=0,698 мкм. Причем, преобразованная волна имеет длину волны, совпадающую с областью максимальной чувствительности фотоэлектрического преобразователя, что в свою очередь резко увеличивает чувствительность систем и приборов квантовой электроники.

Однако, для использования AgGaS₂ в приборах для квантовой электроники с целью преобразования инфракрасного излучения (10,6 мкм) в видимую область спектра λ ₃=0,566 мкм необходимы монокристаллы большого размера с низкими коэффициентом поглощения. У тиогаллата серебра в области спектра 0,65-9 мкм коэффициент поглощения (α) составляет 0,01 см^-1, в то время как на λ ₃=0,566 мкм α=0,3 см^-1, что приводит к существенным дополнительным потерям преобразованного излучения (λ ₃=0,566). Кроме этого, AgGaS₂ имеет невысокую стойкость к лазерному излучению, так как порог пробоя для Nd:YAG лазера, работающего в режиме модулированной добротности, составляет 12,5 Мвт/см² на λ=1,064 мкм.

Целью изобретения является повышение эффективности преобразования из инфракрасной области спектра (λ=10,6 мкм) в видимую область λ<0,56 мкм. Под эффективностью преобразования понимается снижение коэффициента поглощения на длине волны преобразованного излучения и увеличение порога оптического пробоя.

Указанными преимуществами обладает новый нелинейный материал, содержащий серебро, галлий, серу, германий в следующем соотношении компонентов, вес.%:

серебро 28,51

галлий 18,42

сера 19,18

германий 33,89

и соответствующий химической формуле AgGaGeS₄ .

Выращивание монокристаллов ведут методом направленной кристаллизации в запаянных кварцевых ампулах.

Пример конкретного выполнения:

Соединение AgGaGeS₄ выращивают следующим образом. Предварительно очищенные химические элементы Ag, Ga, Ge, S взвешивают в количествах, отвечающих формуле AgGaGeS ₄, в следующих весовых процентах: Ag=28,51; Ga=18,42; Ge=19,18; S₄=33,89. Навеску помещают в кварцевую ампулу, откачивают на вакуумном посту и отпаивают о Запаянную ампулу с навеской выдерживают в печи для синтеза при Т=450°С, в течение 2,5 суток до тех пор, пока сера не прореагирует с Ag, Ga, Ge. Затем температуру в печи медленно повышают до температуры плавления (890°С) соединения. Просинтезированный состав помещают в вертикальную печь для роста. Регулирование температуры в печи осуществляют высокоточным регулятором температуры ВРТ-3 с точностью до ±0,5°С. Рост кристалла проводится со скоростью 14 мм/сутки, в течение одной недели. После окончания роста, печь выключают и охлаждение образца проходит в режиме выключенной печи.

Полученный монокристаллический материал позволяет производить преобразования из ИК-области спектра в видимую область спектра λ 0,48 мкм с более низким коэффициентом поглощения α=0,04 см^-1 и с большим порогом оптического пробоя P≥50 Мвг/см².

Монокристаллы AgGaGeS₄ имеют размеры: диаметр 16 мм, длина 40 мм, оптически однородные, отсутствуют полисинтетические двойники и включения посторонних фаз. Кристалл двуосный ромбической сингонии, угол между оптическими осями равен 12°, имеющий точечную группу симметрии mm 2, параметры решетки a=6,8640; b=12,0143; с=22,8886, плотность составляет ρ=3,80 г/см³, диапазон прозрачности 0,45-12,5 мкм, лучевая прочность 50 Мвт/см². На этих монокристаллах впервые были измерены показатели преломления (табл. 1) и рассчитан фазовый синхронизм во всем диапазоне частот. Зависимость показателя преломления от длины волны приведена в виде коэффициентов Селмейера в табл. 2.

Измеренные компоненты тензора нелинейной восприимчивости приведены в табл. 3.

Таблица 1Показатели преломления монокристалла AgGaGeS₄ при температуре 20°С,λ мкмn₁ n₂ n₃0,500 2,5128 2,51252,4377 0,6002,4355 2,43622,3706 0,7002,3958 2,39732,3360 0,8002,3723 2,37332,3151 0,9672,3495 2,35072,2942 1,0642,3411 2,34212,2866 1,22,3327 2,33382,2799 2,002,3112 2,31442,2599 4,002,2985 2,30132,2497 8,932,2662 2,26482,2269 10,62,2472 2,24482,2139 11,52,2369 2,23242,6068 Таблица 2Зависимость показателя преломления от длины волны. Коэффициенты Селмейераn _zn_х n_y А₁11,143570 11,947671 12,644670А ₂4000,000 3000,0003000,000 А₃-24267,166 -19915,432 -21966,269А ₄0,0608183 0,06821350,0709987 А₅-16361483 -0,18261602 -0,17736979

Аппроксимационная формула

Таблица 3Коэффициенты нелинейной восприимчивости:d ₃₁ 0,35 d₁₅ 0,36 d₃₂ 0,91d₂₄ 0,72d ₃₃ 0,42

где d - компонента d₃₆AgGaS₄, равная (12,07±1,81)×10^-12 м/В.

Знаки компонент d₃₂ и d₂₄ совпадают со знаком d₃₃ , а у компонент d₃₁ и d₁₅ противоположны знаку d₃₃.

Формула изобретения

Монокристаллический материал для нелинейной оптики, содержащий серебро, галлий и серу, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности преобразования из инфракрасной области спектра в видимую, он дополнительно содержит германий в соответствии с химической формулой AgGaGeS₄.