1.5. Основные характеристики и области применения оптических кристаллов германия и парателлурита

Ge, химический элемент IV группы периодической системы Менделеева; порядковый номер 32, атомная масса 72,59; твердое вещество серо-белого цвета с металлическим блеском. Природный германий представляет собой смесь пяти стабильных изотопов с массовыми числами 70, 72, 73, 74 и 76.

6...6,5; германий - типичный полупроводник с шириной запрещенной зоны 1,104-10'¹⁹дж или 0,69 эв (25^oC); удельное электросопротивление германия высокой чистоты 0,60 Om m (60 Ом см) при 25⁰C; подвижность электронов 3900 и подвижность дырок 1900 см²/всек (25⁰C) (при содержании примесей менее 10'^s%). Прозрачен для инфракрасных лучей с длиной волны больше 2 мкм.

Исторически первым (40-е годы 20-го века) было применение кристаллов германия в полупроводниковой технике в качестве материала для выпрямительных диодов и триодов в усилительных каскадах электронных схем. При этом использовались исключительно электрические свойства р-п- переходов [98]. На сегодняшний день германий используется, в основном, в электронных схемах сложной, уникальной или специальной аппаратуры, от которой требуются особая стабильность, точность и надежность [99,100].

В 50-x-60-x годах - начались активные исследования и работы по использованию германия в инфракрасной технике, а также в оптоэлектронных преобразователях.

бездислокационного (БД) германия. Следует отметить, что именно эта характеристика является наиболее информативной при оценке интегрального структурного совершенства кристаллов.

Проблемы дальнейшего увеличения размеров кристаллов германия, улучшения их однородности, снижение дефектов в кристаллах, уменьшения оптических потерь в материале, связанных с поглощением и рассеянием света инфракрасного диапазона, по-прежнему остаются актуальными. В последнее время появились лазеры новых типов, излучающие в диапазоне прозрачности германия (2-20) мкм., например, лазеры на основе кристаллов PbGa₂S⁴:Dy³⁺, генерирующих не только на длине волны 4,33 мкм, но и на длинах волн 4,2; 4,53 и 4,68 мкм [105]. Согласно [96], на формально не входящей в диапазон прозрачности германия длине волны λ = 140 мкм достаточно большой измеренный показатель поглощения α = (0,75 ± 0,02) см'¹ позволяет, тем не менее, создать АОД (акустооптический дефлектор) для отклонения такого терагерцового излучения ЛСЭ (лазеров на свободных электронах).

Благодаря механической прочности, устойчивости к атмосферным воздействиям, относительно высокой прозрачности, возможности получения крупногабаритных заготовок, германий эффективно применяется в

спектральном диапазоне длин волн 2,5...4 мкм. Прочность и твердость кристаллов обеспечивают получение высококачественных оптических поверхностей стойких к механическим воздействиям при эксплуатации [108]. Германий обладает широкой областью прозрачности от 1,8 до 23 мкм, в которой имеются окна прозрачности атмосферы 3...5 мкм и и 8... 14 мкм, в которых работает большинство приборов инфракрасной техники. К недостаткам германия, сдерживающим его применение, можно отнести относительно высокий коэффициент поглощения и существенную его зависимость от температуры, непрозрачность в видимом диапазоне, в ряде случаев - высокий коэффициент преломления, обуславливающий большое отражение излучения. Основное применение монокристаллов и поликристаллов германия в инфракрасной оптике - изготовление на их основе оптических элементов тепловизионных приборов. Это многочисленные призмы, линзы, защитные окна, модуляторы тепловизионных систем наземного, воздушного, морского базирования, работающих в интервале длин волн 2,5...14 мкм [109,110].

Широкое применение германия в оптике обусловлено также наличием в материале нелинейных эффектов - акустооптического и электрооптического [111-113].

Акустооптические модуляторы, дефлекторы и фильтры характеризуются надежностью, простотой электронного управления и малым энергопотреблением. Акустооптические приборы обеспечивают работу в ультрафиолетовом, видимом, ближнем и среднем инфракрасных диапазонах оптического спектра. В большинстве приборов применяются монокристаллы парателлурита (TeO₂). Монокристаллы парателлурита из всех материалов, прозрачных в видимом диапазоне длин волн, обладают самым большим коэффициентом акустооптического качества M₂. Удачное сочетание констант дает для них значение M₂(при распространении света по оптической оси),

равное 793∙10^¹⁸ c³∕r. Это в 22 раза больше, чем у молибдата свинца PbMoO₄, считавшегося ранее наилучшим материалом для частот ниже 1 ГГц, и в 510 раз больше, чем у кварца - SiO₂. Необычность упругих свойств парателлурита определила его использование в акустооптических устройствах [111-113].

Кристаллическая структура парателлурита исследована в работах [113- 115] [69-71] и окончательно определена в работе [116]. Было установлено, что парателлурит относится к аксиальному классу тетрагональной сингонии - 422. Пространственной группой симметрии элементарной ячейки парателлурита является P4]2]2 или P4₃2]2, полученная практически удвоением ячейки по оси [001]. Параметры ячейки составляют: а = 4,796 ± 0,002 А; ^- 7,626 ± 0,002 А; с/а = 1.59. Кристаллы парателлурита обладают рядом уникальных для диэлектриков физических свойств, удачное сочетание которых и создает этим кристаллам большие преимущества перед многими другими акустооптическими материалами [6,102,113,117]. Кристаллы обладают широким диапазоном прозрачности (0,35...6,0 мкм) без заметных полос поглощения, они практически нерастворимы в воде, имеют невысокую твердость, вследствие чего легко обрабатываются - режутся, шлифуются и полируются.

использование парателлурита в различных оптоэлектронных устройствах, среди них:

модуляторы, управляющие интенсивностью проходящего через светозвукопроводы (СЗП) света, и передающие сигналы (информацию) по лазерному лучу;

дефлекторы (сканеры), применяюющиеся для отклонения лазерного луча (однокоординатные и двухкоординатные). Кристаллы парателлурита широко применяются в качестве материала СЗП в дефлекторах обоих типов [116,117];

электронно-перестраиваемые акустооптические фильтры, применяемые для анализа оптической информации, спектрального анализа светового излучения звезд, планет. Кристаллы парателлурита применяются в акустооптических перестраиваемых фильтрах (АОПФ), предназначенных для работы во всем видимом диапазоне, а также в ИК диапазоне, примерно до 2... 3 мкм [6, 7,116-118] [72-76]. АОПФ на основе парателлурита успешно использовались в бортовых спектрометрах космических аппаратов, в спектроанализаторах газовых смесей (в целях экологии), в микроскопах биологического и медицинского назначения, в анализаторах химического состава жидкостей [116];

акустооптические процессоры, предназначенные для спектрального анализа слабых радиосигналов на фоне помех [119,120].

Адаптивные акустооптические дисперсионные линии задержки (АОДЛ) - новые представители класса акустооптических устройств - отличаются от традиционных АО-устройств чрезвычайно широкими спектрами электромагнитного поля и акустического поля. Особенностью АОДЛ является их высокое спектральное разрешение, которое достигает значений -10000. На настоящий момент времени это значение спектрального разрешения является рекордным для акустооптических приборов, работающих в среднем HK- диапазоне 0,8... 1,5 мкм, охватывающем длины волн излучения фемтосекундных лазеров. Для дисперсионной линии задержки требуются кристаллы больших размеров - до 80..90 мм. Необычность работы АОДЛ

предъявляет и другие крайне жесткие системные требования к характеристикам монокристаллов парателлурита [121-124].

В последние годы в связи с развитием глобальных спутниковых сетей, а также других телекоммуникационных проектов усилился интерес к германию [125,126]. Для бортового питания спутников, являющихся основой подобных проектов, требуются радиационно-стойкие фотоэлектрические преобразователи (ФЭП) с высоким к.п.д. Наиболее эффективные ФЭП с к.п.д. более 20% - каскадные солнечные элементы, устанавливаемые в настоящее время на спутниках, изготовлены на германиевых подложках диаметром до 100 мм и выше. Необходимые условия, предъявляемые к такому германию - это низкая плотность дислокаций (на уровне ~5∙10³см'²), отсутствие дислокационных дефектов типа малоугловых границ.