МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ НЕЛИНЕЙНОЙ ОПТИКИ Советский патент 2005 года по МПК C30B29/46 C30B11/02 

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 (λ₃=0,566 мкм) при накачке Dye лазером λ₂=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 λ₃=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 λ₃=0,566 мкм α=0,3 см^-1, что приводит к существенным дополнительным потерям преобразованного излучения (λ₃=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 AgGaGeS₄, 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 мкмn₁n₂n₃0,5002,51282,51252,43770,6002,43552,43622,37060,7002,39582,39732,33600,8002,37232,37332,31510,9672,34952,35072,29421,0642,34112,34212,28661,22,33272,33382,27992,002,31122,31442,25994,002,29852,30132,24978,932,26622,26482,226910,62,24722,24482,213911,52,23692,23242,6068Таблица 2Зависимость показателя преломления от длины волны.Коэффициенты Селмейераn_zn_хn_yА₁11,14357011,94767112,644670А₂4000,0003000,0003000,000А₃-24267,166-19915,432-21966,269А₄0,06081830,06821350,0709987А₅-16361483-0,18261602-0,17736979

Аппроксимационная формула

Таблица 3Коэффициенты нелинейной восприимчивости:d₃₁ 0,35d₁₅ 0,36d₃₂ 0,91d₂₄ 0,72d₃₃ 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.

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.

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.