СПОСОБ ИЗМЕНЕНИЯ ОБЫКНОВЕННОГО ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ НЕЛИНЕЙНОГО КРИСТАЛЛА GaSe Российский патент 2013 года по МПК C30B31/00 C30B29/46 H01S3/16 

Изобретение относится к технической физике и нелинейной оптике и может быть использовано при создании параметрических преобразователей частоты лазерного излучения в средний инфракрасный (ИК) и терагерцовый (ТГц) диапазоны спектра.

Известен способ изменения обыкновенного показателя преломления нелинейного кристалла селенида галлия (GaSe), который включает легирование большеразмерными изовалентными (по отношению к атомам химического элемента Ga) атомами химического элемента индия (In), образующими с атомами второго химического элемента (Se) изоструктурное химическое соединение селенид индия (InSe), а соединения GaSe и InSe - изоструктурный твердый раствор Ga_1-xIr_xSe [1]. Легированный индием кристалл селенида галлия (GaSe:In) сохраняет в основном все физические свойства кристаллов GaSe, в том числе структурные, и возможности использования в составе параметрических преобразователей частоты, улучшает механические свойства и увеличивает эффективность преобразования частоты в среднем ИК-диапазоне за счет улучшения оптических свойств [1, 2]. Недостатком кристаллов GaSe:In является слабая зависимость обыкновенного показателя преломления от уровня легирования и ограниченный деградацией структурных и оптических свойств предельный уровень легирования, что ограничивает и возможности дополнительного увеличения эффективности параметрического преобразования частоты путем угловой подстройки к оптимальному углу фазового синхронизма подбором уровня легирования. Диапазон угловой подстройки изменением уровня легирования индием ограничен пределами 0,5-2° [1].

Известен способ изменения обыкновенного показателя преломления нелинейного кристалла селенида галлия (GaSe), который включает легирование большеразмерными и изовалентными (по отношению к атомам химического элемента Se) атомами телура (Те), образующими с атомами первого химического элемента галлия (Ga) химическое соединение теллурид галлия (GaTe), а соединения GaSe и GaTe - изоструктурный твердый раствор GaSe_1-xTe_x [3]. Кристалл селенида галлия легированный телуром (GaSe:Te) сохраняет многие физические свойства кристаллов GaSe, в том числе структурные, и возможности использования в составе параметрических преобразователей частоты несколько улучшает механические свойства и увеличивает эффективность преобразования частоты в терагерцовый диапазон спектра за счет улучшения оптических свойств [3]. Недостатком кристаллов GaSe:Te является низкий допустимый уровень легирования телуром, ограниченный деградацией структурных и оптических свойств с увеличением легирования, что уменьшает эффективность параметрического преобразования частоты, в частности генерации терагерцового излучения методом оптического выпрямления, при высоких уровнях легирования [3]. Другими недостатками этого кристалла являются существенное уменьшение значений показателей преломления для волн обыкновенной поляризации n_о с увеличением уровня легирования, что ограничивает возможности реализации параметрических преобразователей частоты и не позволяет реализовать подстройку под оптимальное направление фазового синхронизма [3, 4].

Известен способ изменения обыкновенного показателя преломления нелинейного кристалла селенида галлия (GaSe) легированием соразмерным и изовалентным (по отношению к атомам химического элемента Se) атомами химического элемента серы (S), образующими изоструктурное химическое соединение с галлием (GaS), а соединения GaSe и GaS - изоструктурный твердый раствор GaSe_1-xS_x, выбранный в качестве прототипа. Легированный серой кристалл галлий селен (GaSe:S) сохраняет все основные физические свойства кристаллов GaSe, в том числе структурные, до высокого уровня легирования (равного содержания атомов селена и серы), что кратно увеличивает эффективность параметрического преобразования частоты в пределах среднего ИК-диапазона за счет расширения возможности оптимизации условий фазового синхронизма путем выбора уровня легирования, приводящего к сдвигу кривых фазового синхронизма в коротковолновую сторону, а также за счет улучшения оптических свойств, и улучшает механические свойства [5]. Недостатком кристаллов GaSe:S является уменьшение значения показателя преломления для волн обыкновенной поляризации n_o в терагерцовом диапазоне спектра, что снижает возможности реализации и дополнительного увеличения эффективности параметрического преобразования частоты в терагерцовый диапазон спектра путем угловой подстройки к оптимальному углу фазового синхронизма подбором уровня легирования [4, 5].

Задачей, на которую направлено настоящее изобретение, является увеличение показателя преломления для волн обыкновенной поляризации n_o в кристаллах GaSe при минимальных изменениях значения показателя преломления для волн необыкновенной поляризации n_e. Технический результат - увеличение показателя преломления для волн обыкновенной поляризации при квазификсированном значении показателя преломления для волн необыкновенной поляризации. Увеличение обыкновенного показателя преломления легированием в концентрации 0,001-0,05 мас.% алюминия, способствующее улучшению возможностей реализации и увеличению эффективности параметрического преобразования частоты в терагерцовый диапазон спектра за счет появления возможности оптимизации условий фазового синхронизма выбором уровня легирования в широких пределах.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе изменения показателей преломления, который включает легирование слоистых кристаллов GaSe соразмерными атомам химического элемента селена атомами химического элемента серы, образующими изоструктурное химическое соединение GaS, a химические соединения GaSe и GaS - изоструктурный твердый раствор GaSe_1-xS_x, в качестве легирующей добавки выбирают малоразмерные по отношению к атомам химического элемента галлия атомы химического элемента алюминия (Al). Атомы алюминия не образуют изоструктурного соединения с селеном (AlSe). Химическое соединение GaSe и химическое соединение AlSe не образуют твердого раствора. Эти факторы обеспечивают иной прототипу результат легирования. При легировании, не образуя твердого раствора, малоразмерные атомы алюминия внедряются в межузлия и интеркаллируют в межслоевое пространство, образуя сильные ковалентные связи типа «гость-гость» цепного типа в направлении, ортогональном слоям роста (оптической оси), что, наряду с малоразмерностью атомов алюминия, приводит к увеличенной плотности упаковки кристалла GaSe:Al в направлении оптической оси и росту показателя преломления обыкновенной волны. Радикальное увеличение твердости кристаллов GaSe:Al [6] в направлении оптической оси подтверждает это.

Пример осуществления изобретения

Для изменения обыкновенного показателя преломления нелинейного кристалла селенида галлия в закладку при синтезе исходного поликристаллического материала дополнительно добавлялся легирующий химический элемент алюминий в концентрациях 0,005-0,05% мас. Далее из полученного поликристаллического материала вертикальным методом Бриджмена выращивался нелинейный кристалл GaSe:Al.

В таблице приведены значения изменения показателей преломления нелинейного кристалла GaSe в терагерцовом диапазоне спектра на частоте 1 ТГц при различных уровнях легирования Al в сравнении с нелегированным кристаллом GaSe и прототипом - кристаллом GaSe, легированным S.

Литература

1. Z.-S.Feng, Z.-H.Kang, F.-G.Wu, J.-Yu.Gao, Yu.Jiang, H.-Z.Zhang, Yu.M.Andreev, G.V.Lanskii, V.V.Atuchin, T.A.Gavrilova. SHG in doped GaSe:In crystals // Optics Express. 2008. V.16, №13. P.9978-9985.

2. D.R.Suhre, N.В.Singh, and V.Balakrishna, N.C.Fernelius and F.K.Hopkins. Improved crystal quality and harmonic generation in GaSe doped with indium // Optics Letters. 1997. V.22, No.11. P.775-777.

3. S.-A.Ku, W.-C.Chu, C.-W.Luo, Yu.Andreev, G.Lanskii, A.Shaiduko, T.Izaak, V.Svetlichnyi. Optimal Te-doping in GaSe for non-linear applications // Optics Express, 2012, V.20, No.5, P.5029-5037.

4. S.Yu.Sarkisov, M.M.Nazarov, A.P.Shkurinov, O.P.Tolbanov. GaSe_1-xS_x and GaSe_1-xTe_x solid solutions for terahertz generation and detection / Proc. of the 34^th Int. Conf. on Infrared, Millimeter and Terahertz wave (IRMMW-THz-2009). Busan, Korea, 2009. Paper M1A02.0370. IEEE catalog # CFP091MM-CDR. ISBN 978-1-4244-5417.

5. H.-Z.Zhang, Z.-H.Kang, Yu.Jiang, J.-Yu.Gao, F.-G.Wu, Z.-S.Feng, Yu.M.Andreev, G.V.Lanskii, A.N.Morozov, E.I.Sachkova, S.Yu.Sarkisov. SHG phase matching in GaSe and mixed GaSe_1-xS_x, x≤0.412, crystals at room temperature // Optics Express. 2008. V.16, №13. P.9951-9957.

6. Л.-М.Жанг, Д.Гуо, Д.-Д.Ли, Д.-Д.Се, Ю.М.Андреев, В.А.Горобец, В.В.Зуев, К.А.Кох, Г.В.Ланский, В.О.Петухов, В.А.Светличный, А.В.Шайдуко, Измерение дисперсионных свойств GaSe_1-xS_x в терагерцовом диапазоне // ЖПС. 2010.77.6, С.916-922.

Значения показателей преломления и двулучепреломления в нелинейных кристаллах GaSe, GaSe_0,74S_0,26 и GaSe:Al Кристалл n_о n_е В GaSe 3,245 2.475 0,770 GaSe_0,74S_0,26 3,020 2,240 0,780 GaSe:Al       (0,005 мас.%) 3,255 2,475 0,780 (0,01 мас.%) 3,280 2,475 0,805 (0,02 мас.%) 3,315 2,475 0,840 (0,05 мас.%) 3,450 2,465 0,985 n_o - обыкновенный показатель преломления, n_e - необыкновенный показатель преломления, В - двулучепреломление.

Изобретение относится к технической физике и нелинейной оптике и может быть использовано при создании параметрических преобразователей частоты лазерного излучения в средний инфракрасный (ИК) и терагерцовый (ТГц) диапазоны спектра. Изменение обыкновенного показателя преломления нелинейного кристалла GaSe осуществляют легированием малоразмерным по отношению к химическому элементу Ga химическим элементом Al в концентрации 0,005-0,05 мас.%. Технический результат изобретения заключается в увеличении показателя преломления для волн обыкновенной поляризации в кристаллах GaSe при минимальных изменениях значения показателя преломления для волн необыкновенной поляризации. 1 табл.

Способ изменения обыкновенного показателя преломления нелинейного кристалла GaSe легированием, отличающийся тем, что легирование осуществляется малоразмерным по отношению к химическому элементу Ga химическим элементом Al в концентрации 0,005-0,05 мас.%.