大尺寸ZnGeP2单晶生长与大尺寸晶体器件制备

磷锗锌(ZnGeP2,ZGP)晶体是一种性能十分优异的中红外非线性光学材料。本研究采用自制的双温区管式炉成功合成出高纯ZGP多晶,单次合成量达到600 g;采用超微梯度水平冷凝法(0.5~1℃/cm)成功生长出55 mm×30 mm×160 mm的大尺寸ZGP单晶;通过工艺优化、定向、切割、退火、抛光和高能束流辐照等处理工艺,成功实现大口径(12 mm×12 mm×50 mm)ZGP晶体器件制备,器件在2.09μm的吸收系数仅为0.03 cm^-1,可以用于大能量和高平均功率红外激光输出。

红外非线性晶体ZnGeP_2的生长及品质研究

采用高温元素反应法直接合成ZnGeP2多晶料,用竖式Bridgman法生长出ZnGeP2单晶,晶体棒毛坯尺寸达15×70mm3。对多晶料和单晶体进行了X射线粉末衍射(XRD)、低倍率红外显微镜、红外分光光度计检测;对晶体切片进行退火处理,使得在2μm吸收系数降到α=0.10cm-1;加工出一块5×6×6.5mm3的晶体倍频元件,在一台射频激励CO2激光器上实现了从9.24μm到4.26μm的倍频。

磷锗锌晶体的热处理研究

采用改进垂直布里奇曼法生长出的磷锗锌(ZnGeP2,ZGP)晶体中存在各种缺陷,导致其红外透过率较低,刚生长的晶体不能直接用于制备红外非线性光学器件。分别采用真空、同成分粉末包裹和真空-同成分粉末包裹的复合退火工艺对生长的ZGP晶体进行了退火热处理研究。应用傅立叶红外光谱仪(FTIR)、高阻仪(HRM)、X射线能谱仪(EDS)等对退火前后的晶体性能和成分进行了测试分析。结果表明,三种方法退火后晶体的红外透过率和电阻率都得到改善,其中复合退火工艺的改善效果最为显著,晶体红外透过率由41%提高到60%,电阻率由2.5×108Ω.cm提高到7.2×108Ω.cm,晶体成分接近ZGP理想化学配比,退火后晶体的光学和电学性能得到显著改善,可用于ZGP-OPO器件制作。

ZnGeP_2的多晶合成与单晶生长研究

采用富P配料工艺,通过改进的单温区合成法(MSTZM)合成出高纯、单相的ZnGeP2多晶原料。用改进垂直布里奇曼法(MVBM)生长出尺寸为Φ20mm×30mm的ZnGeP2单晶体。经X射线衍射分析、红外光谱分析、ZC36高阻仪测试表明:晶体完整性好,具有黄铜矿结构,晶格常数a=b=0.5463nm,c=1.0709nm。晶体的透光范围为0.65～12.5μm。厚度为2mm的晶片在2～12μm范围内的平均红外透过率达55%以上,电阻率为6×107Ω·cm,计算2.05μm和10.6μm处的吸收系数分别为0.017cm-1和0.21cm-1。

ZnGeP_2晶体的合成与生长

采用双温区法合成ZnGeP2多晶料;采用布里奇曼法生长ZnGeP2单晶,晶体尺寸为φ22×90 mm^2。晶体透光范围0.7-12.0μm,平均透过率达到56%;OPO光参量震荡器件尺寸6×6×15 mm^3,采用2μm的泵浦光,产生4W以上的3.8-4.5μm激光输出。

ZnGeP_2晶体点缺陷的研究进展

ZnGeP_2晶体是具有重要应用背景的红外非线性光学材料.晶体中的点缺陷严重限制了ZnGeP_2晶体的应用发展.本工作介绍了ZnGeP_2晶体点缺陷的最新研究进展情况.首先,利用电子顺磁共振技术研究了ZnGeP_2晶体的点缺陷.主要存在缺陷是受主缺陷V_(Zn)^-及施主缺陷V_P^0和Ge_(Zn)^+,其相应的缺陷能级分别为E(V_(Zn)^-)=Ec-(1.02±0.03)eV,E(V_P^0)=Ev+(1.61±0.06)eV和E(Ge_(Zn)^+)=Ev+(1.70±0.03)eV.对晶体作了电子照射及高温退火等处理后,又分别发现了两种缺陷V_(Ge)^(3-)和V_P^0其次,利用全势能线性muffin-tin轨道组合法模拟研究了ZnGeP_2晶体的点缺陷.主要存在缺陷及缺陷能级的计算结果与实验结果基本一致,但由于理论模拟与实际情况还存在差距,有些计算结果与实验结果相矛盾.因此,将实验与理论有机结合研究晶体的点缺陷是今后研究的重点.

磷锗锌(ZnGeP_2)单晶体生长研究

以高纯(6N)Ge、Zn、P单质为原料,按化学计量比并富P 0.1%~0.3%配料,在特殊设计的密封安瓿中,采用改进的两温区气相输运法(MTVM)和机械振荡技术合成出单相致密的ZnGeP2多晶原料。以此为原料,采用改进的垂直布里奇曼法(VBM)生长出尺寸为Φ15 mm×25 mm的ZnGeP2单晶体,呈黑灰色,外观完整、无裂纹。对晶体进行解理试验发现,其存在(112)和(101)两个易解理面;对10×10×2 mm3ZnGeP2晶片,采用同成分粉末包裹,在550~600℃真空退火后,经红外透过率测试结果显示:在2~12μm波段内红外透过率可达55%以上。

ZnGeP_2晶体点缺陷影响光学性能的研究进展

ZnGeP2晶体具有非线性系数大和透光波段宽的特点,是目前重要的中红外频率转换介质材料。然而,点缺陷的存在却引起了ZnGeP2晶体的额外光学吸收,影响了其应用发展。本文对ZnGeP2晶体点缺陷影响光学性能的研究进展情况做了详细的综述。利用电子顺磁共振技术研究了ZnGeP2晶体中存在的点缺陷类型;结合光学吸收和电子顺磁共振方法分析了ZnGeP2晶体点缺陷影响光学性能的机理;介绍了降低ZnGeP2晶体额外光学吸收的方法;最后,展望了围绕ZnGeP2晶体点缺陷及光学性能将开展的研究方向。

大尺寸ZnGeP_2晶体生长与中红外光参量振荡

采用垂直布里奇曼方法生长了ZnGeP2单晶体,晶体毛坯尺寸达30 mm×120 mm。晶体在2.05μm吸收系数0.05cm-1,3-8μm吸收系数0.01 cm^-1,光损伤阈值2.0±0.3 J/cm2。利用2.05μmTm,Ho∶CdVO4激光器为泵浦源,脉冲重复频率10 kHz。当泵浦功率16.3 W时,3-5μm光参量振荡输出8.7 W,光-光转换效率为53%,斜率效率为64%。

ZnGeP_2单晶生长温场研究

根据ZnGeP2（ZGP）晶体的生长特性,自行设计组装了三段式独立控温生长炉,优化了温场分布。采用改进的垂直布里奇曼法成功生长出外观完整、无裂纹的ZGP单晶体,尺寸达φ15 mm×35 mm。对晶体进行解理实验和X射线衍射分析,发现ZGP晶体易沿（101）面解理,其回摆峰尖锐无劈裂。对未经退火处理的晶片进行红外透过率测试,在2-12μm波段内红外透过率达45%以上。研究结果表明所设计的温场适合于ZGP单晶生长,生长出的ZGP晶体完整性好、质量较高。

CO激光在非线性晶体ZnGeP_2和GaSe中的混频效应(英文)

为了获得2.15～1 500μm的相干光源,研究了CO激光在高质量非线性晶体ZnGeP2和GaSe中的混频效应。为了提高转换效率,在激光锁模方式下对CO激光器的二次谐波、和频和差频的产生进行了研究。结果显示,利用GaSe晶体和ZnGeP2晶体,调Q多谱线CO激光辐射的谱线内倍频效率分别大于0.3%和1.1%。采用ZnGeP2晶体进行倍频时,可调谐锁膜CO激光器的转换效率为12.5%。模拟结果显示,二次谐波与和频产生的输出光谱相同。相邻谱线下,和频和差频的产生过程中,基波和一次谐波可以分别在4.0～5.0μm和100～≥1 200μm(太赫兹范围)形成振荡。利用锁模CO激光器在ZnGeP2晶体中的混频效应,可以得到2.15～≥1 500μm的相干光源,同时转换效率可达到甚至高于12.5%。

Tm脉冲激光器泵浦的中红外固体激光器

介绍了Tm：YAP脉冲激光器泵浦的中红外固体激光器。首先介绍了Tm脉冲激光器,由实验分析,对YAP固体激光器腔型结构进行优化,确定了适合泵浦ZGP OPO的YAP激光器腔型,得到较理想的2μm脉冲激光输出。中红外固体激光器由优化后的Tm：YAP激光器泵浦ZGP光学参量振荡器（OPO）组成,最终得到输出功率达瓦级以上的3~5μm激光。

磷锗锌晶体生长技术研究进展

磷锗锌(ZnGeP_2)单晶体是一种性能优异的红外非线性光学晶体材料,被广泛应用于各种先进的光学器件。研究ZnGeP_2晶体的生长方法,对低成本制备大体积、高质量的ZnGeP_2晶体具有重要意义。介绍了ZnGeP_2晶体的结构和应用领域,给出了ZnGeP_2多晶合成与单晶生长技术研究发展的最新动态,并基于晶体生长原理以及生长条件控制方法的差异,综述了水平温度梯度冷凝(HGF)法、液封提拉(LEC)法、高压气相(HPVT)法和垂直布里奇曼(VB)法4种主要的ZnGeP_2单晶体生长方法的优缺点;重点阐述了较成熟的HGF和VB法生长ZnGeP_2晶体的影响因素和研究进展,提出了ZnGeP_2单晶制备技术存在的主要问题和今后的发展方向。

镀碳石英坩埚生长ZnGeP_2单晶体

在熔体法生长ZnGeP2单晶体的过程中,如何解决熔体与坩埚的粘连问题是一个研究关键。本文研究了石英坩埚的镀碳工艺,采用化学气相沉积法成功在坩埚内壁镀上结合牢固且均匀的碳膜。采用垂直布里奇曼法,并结合适时补温技术,在内部镀碳的双层坩埚中成功生长出Ф20 mm×50 mm外观完整,无裂纹的ZnGeP2单晶体。经XRD,TEM,FTIR分析结果表明:生长的ZnGeP2晶体缺陷少,结构完整,红外透过率高,是质量较高的单晶体。

磷锗锌单晶生长装置的设计与优化

根据磷锗锌(ZnGeP2)晶体的生长特性,分析了ZnGeP2单晶生长对生长炉温场的要求。在两温区单晶生长炉的基础上,设计出适合ZnGeP2单晶生长的三温区管式生长炉,并对其温场进行了设计与优化。在经优化的温场中进行ZnGeP2单晶生长,获得了尺寸达20 mm×30 mm、外观完整的单晶体。

ZnGeP_2多晶合成爆炸原因分析与工艺改进

分析了磷锗锌(ZnGeP2)多晶合成中的化学反应及其发生爆炸的原因,研究出防止安瓿爆炸的合成新工艺。采用改进的单温区合成法,配合梯度降温冷却技术,有效地避免了ZnGeP2合成过程中的爆炸现象,实现了富余P与合成产物的有效分离。经X射线衍射仪、能量分散光谱仪测试表明:合成产物是高纯单相的ZnGeP2多晶材料。以此为原料,采用垂直布里奇曼法进行ZnGeP2晶体生长,获得了尺寸达Φ20 mm×60 mm外观完整、结晶性好的ZnGeP2单晶体。

磷锗锌晶体制备中的化学配比控制研究

分析了磷锗锌(ZnGeP_2)化学配比偏离产生的原因和对晶体造成的不良影响,提出了改进的方案。通过采用富P配料,提高生长料的装满度等措施,并运用改进的布里奇曼法,科学地设计出一个适宜晶体生长的温场,成功获得尺寸为Φ22 mm×45 mm的磷锗锌单晶。利用EDS和FTIR对生长的晶体进行表征,结果表明晶体化学元素配比接近理论值红外透过率高,满足光学器件的制做要求。

磷锗锌单晶体的腐蚀研究

报道了一种新的ZnGeP2晶体择优腐蚀剂及其腐蚀工艺,即先采用研磨、物理机械抛光和HCl+HNO3热化学抛光获得表面平整无划痕的ZnGeP2晶片,然后将晶片在室温下采用HF(40%)∶HNO3(65%)∶CH3COOH(99.5%)∶H2O∶I2=2 mL∶2 mL∶1 mL∶1 mL∶4 mg腐蚀剂超声振荡腐蚀8 min;在扫描电镜下观察到ZGP(110)和(204)晶面的腐蚀坑,蚀坑形貌清晰,具有立体感,(110)晶面蚀坑呈四边形,(204)晶面蚀坑呈五边形,取向一致,蚀坑密度(EPD)约为104/cm2。从理论上对蚀坑形貌的形成机理进行了分析。

强磁场对非线性光学晶体ZnGeP_2生长及性能的影响

按化学计量比并富P2%配料,通过改进的单温区合成法合成出高纯、单相的ZnGeP2多晶原料,在无磁场、6 T匀强磁场和上、下梯度磁场条件下,使用坩埚下降法成功生长出ZnGeP2单晶。研究表明,施加6 T匀强磁场和上、下梯度磁场后,ZnGeP2晶体依次沿(116)、(112)和(220)取向,与无磁场下晶体取向不同;ZnGeP2晶体成分沿纵向方向在强磁场中比无磁场中波动明显;红外透过率在匀强和上梯度磁场中均有明显提高,下梯度磁场中变化不明显;电阻率在匀强和上梯度磁场中有所下降,而下梯度磁场中则有所升高。

ZnGeP_2 OPO产生4.3μm波段窄线宽激光实验研究

为了设计4. 3μm波段大功率窄线宽中红外激光器,开展了2. 7μm激光抽运ZnGeP_2晶体光参量振荡(Optical Parametric Oscillation,OPO)技术产生4. 3μm波段窄线宽激光实验研究,对实验结果开展了详细的分析。抽运源为1064 nm抽运的KTiOPO_4OPO激光器输出的2. 7μm波段参量激光,KTiOPO_4OPO采用单谐振结构,将两块相同的KTiOPO_4晶体光轴相向放置以补偿走离效应,KTiOPO_4晶体按Ф=0°、θ=62°切割以获得波长2. 7μm波段激光输出,采用Ⅱ(B)类相位匹配(o→o+e)以利用较大的非线性系数。ZnGeP_2OPO采用单谐振结构,采用Ⅱ(B)类相位匹配(o→o+e)以获得窄线宽输出,ZnGeP_2晶体按Ф=0°、θ=68°切割以获得波长4. 3μm波段激光输出。在抽运光波长2. 7μm,脉冲能量为7. 5 m J,脉宽8. 6 ns的条件下,获得脉冲能量2. 12 m J,线宽30 nm,脉宽8. 7 ns的4. 26μm激光输出,光-光转换效率约为28. 3%,斜效率约为32. 6%,水平和垂直方向的光束质量M^2分别为6. 2和13. 5。