тройной халькогенидный монокристалл для преобразования лазерного излучения и способ его выращивания

Формула изобретения

1. Тройной халькогенидный монокристалл, характеризующийся тем, что имеет химическую формулу LiGaTe₂, пространственную группу I42d тетрагональной симметрии, параметры решетки а=6,338 Å, с=11,704 Å, объем элементарной ячейки V=470,1 Å, координационное число Z=16, плотность 4,689 г/см³.

2. Монокристалл по п.1, отличающийся тем, что монокристалл LiGaTe₂ способен к преобразованию лазерного излучения в ИК области спектра от длины волны не менее 520 нм и до 20 мкм.

3. Способ выращивания монокристалла тройного халькогенида формулы LiGaTe₂, заключающийся в том, что указанный кристалл выращивают методом Бриджмена-Стокбаргера с предварительным синтезом соединения из элементарных компонентов Li, Ga, Те.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к кристаллам тройных халькогенидов, предназначенных к применению в квантовой электронике и оптоэлектронике, в частности для работы в ИК-диапазоне.

Кристаллы халькогенидов являются перспективными нелинейно-оптическими материалами для среднего инфракрасного диапазона. В настоящее время наиболее широкое распространение в качестве материалов для преобразования лазерного излучения в среднем ИК-диапазоне находят такие тройные халькогениды, как тиогаллат серебра AgGaS₂, селеногаллат серебра AgGaSe₂ и тиогаллат ртути HgGa₂ S₄ (см., например, Fan Y.X., Eckardt R.L., Byer R.K. and etc. Appl. Phys. Lett, 45, 1984, 313; Eckardt R.L., Fan Y.X., Byer R.K. and etc. Appl. Phys. Lett, 49, 1986, 608). Недостатками этих материалов являются: во-первых, большое двухфотонное поглощение, что неизбежно ухудшает эффективность преобразования лазерного излучения, во-вторых, для AgGaS₂ характерна сильная анизотропия теплового расширения и низкая теплопроводность, что не позволяет использовать материал при больших мощностях излучения и в AgGaSe₂ и HgGa₂S₄, несмотря на достаточно высокую эффективность преобразования, рабочий диапазон длин волн смещен дальше в ИК-область, что также сокращает возможность их применения.

В работе, Shunemann P.O., Setzler S.D., Pollak T.M. and etc. Crystal growth and properties of AgGaTe ₂, Journal of Crystal Growth, 2000, 211, p.242-246 (прототип), показано усиление нелинейных свойств тройных халькогенидов в ряду AgGaS₂, AgGaSe₂, AgGaTe₂ , что приводит к возрастанию способности кристаллов к преобразованию лазерных излучений. Авторы изобретения на примере кристаллов LilnS₂ и LilnSe₂ показали, что замена в тройном халькогениде атома серебра на атом лития обеспечивает увеличение ширины запрещенной зоны материала, то есть к сдвигу края пропускания в видимую область (Isaenko L., Yelisseyev A, Lobanov S., Petrov V., Rotermund F., Slekys G., Zondy J.-J. LilnSe ₂: A biaxial ternary chalcogenide crystal for nonlinear optical application in the midinfrared - Journal of Applied Physics, 2002, v.91. No. 12, p.9475-80).

На основании данных представлений решена задача - создание нового литий-содержащего тройного халькогенидного монокристалла, пригодного для использования в оптике среднего ИК–диапазона.

Созданный монокристалл характеризуется тем, что имеет химическую формулу LiGaTe₂ (LGTe), пространственную группу I42d тетрагональной симметрии, параметры решетки а=6,338Å, с=11,704Å, объем элементарной ячейки V=470,1Å, координационное число Z=16, плотность 4,689 г/см³. Температура плавления Т_пл.=675+5°С. Структура монокристалла LiGaTe ₂ формируется с образованием тетрапор. Ближайшее к тетрапорам атомное окружение неоднородно. Иначе говоря, катионы вдоль оси z расположены неравномерно по отношению к тетрапорам, отсутствует центр инверсии. Такая структурная анизотропия обусловливает нелинейные свойства LiGaTe₂.

Монокристалл LGTe способен к преобразованию лазерного излучения в ИК-области спектра от длины волны не менее 520 нм и до 20 мкм, при этом ширина запрещенной зоны (Eg) LiGaTe₂ составляет 2,25 эв при Т=300 К, а у известного AgGaTe₂ - 1,3 эв. Кроме того, замена в тройном халькогениде атома серебра на атом лития обеспечивает увеличение теплопроводности и, следовательно, уменьшение потери в результате двуфотонного поглощения, что обеспечивает повышение лучевой прочности, уменьшает анизотропию температурного расширения вдоль трех основных кристаллографических направлений, что снимает проблемы в процессе осуществления просветляющих покрытий на оптические поверхности кристалла, что существенно снижает потери выходной мощности при получении генерации.

Монокристалл LGTe выращен методом Бриджмена - Стокбаргера с предварительным синтезом соединения из элементарных компонентов Li, Ga, Те.

На фиг.1 представлена кристаллическая структура монокристалла LiGaTe₂.

На фиг.2 изображен спектр пропускания образца LiGaTe₂

Соединение LGTe образуется в результате химического взаимодействия между элементарными исходными компонентами при высокой температуре по реакции: Li+Ga+2Те=LiGаТе₂.

Для получения монокристаллического образца LiGaTe ₂ используют исходные элементарные компоненты: литий марки ОСЧ массой 0,520 г, теллур марки ОСЧ массой 21,100 г и галлий квалификации 5N массой 5,220 г. Взвешивание проводится с точностью 0,004 г. Исходные компоненты помещают в графитовый тигель, а тигель в кварцевую ампулу. Ампулу откачивают на вакуумной установке до остаточного давления 10^-2-10^-3 мм рт. ст., после чего отпаивают. Сплавление компонентов проводят в печи, прогретой до 800°С. Ампулу постепенно вдвигают в прогретую лечь и выдерживают в ней в течение 2 часов, после чего печь выключают. Ампулу с контейнером ставят в двухзонную печь сопротивления, управляемую регуляторами температуры ВРТ-2. Выращивание кристаллов проводят по методу Бриджмена-Стокбаргера. Печь нагревают, доводя шихту до плавления. Температуру верхней зоны поддерживают на 80-180°С выше температуры нижней зоны, обеспечивая температурный градиент 1-2°С/мм. Перемещение ампулы составляло 2-10 мм в сутки. Получены монокристаллические блоки LiGaTe₂ массой до 20 г.