ZnGeP2晶体在光学太赫兹辐射源和生物医学领域的应用

ZnGeP2晶体是一种中红外波段的大功率晶体,拥有优良的光学性能和较大的非线性系数,在非线性频率变换领域有着广阔的发展前景和应用价值。ZnGeP2晶体是典型的黄铜矿类结构Ⅱ-Ⅳ-Ⅴ族半导体晶体,属于四方结构,为正单轴晶体[48]。ZnGeP2晶体的优点在于：二阶非线性系数大[d 36=(75±8)pm/V,约是KDP晶体的160倍];机械性能好(显微硬度为980 kg/mm2),便于加工;损伤阈值高(100 ns、10.6μm时达60 MW/cm2),不易造成晶体和光学元件损伤;双折射较大(0.040~0.042),透光范围为0.74~12μm,同时易于实现角度调谐、相位匹配;它的热导率为35 W/(m·K),是AgGaSe2晶体的32倍,因此ZnGeP2晶体的热透镜效应低,不易使晶体、光学元器件损伤;它适用于高功率OPO的应用,并且激光损伤阈值高,晶体硬度较大;在近红外区吸收系数小(如在2.1μm时小于0.04 cm-1),经过退火处理的晶体在太赫兹波段的吸收系数很小。但是黄铜矿结构的明显缺点是：热膨胀的异性大,热导率低,大尺寸的晶体生长困难,其价格昂贵[49~51]。

ZnGeP2晶体在太赫兹波段的色散方程为

ZnGeP2晶体的生长方法目前主要有液封提拉法、水平法(水平温度梯度冷凝法和水平区熔法)和坩埚下降法。

(1)液封提拉法[52]

液封提拉法生长ZnGeP2晶体和普通的提拉法生长晶体没有太大的区别,只是在晶体生长的熔体表面覆盖一层合适的覆盖剂,其主要目的是防止熔体的挥发和分解。将ZnGeP2晶体的原料放在坩埚中加热熔化,在熔体表面接ZnGeP2籽晶提拉熔体,在受控条件下,使籽晶和熔体在交界面上不断进行原子或分子的重新排列,随着温度降低逐渐凝固而生长出ZnGeP2晶体。(www.xing528.com)

(2)水平法[53]

水平法也叫水平布里奇曼法,其主要是利用生长装置中三段不同的温度梯度进行ZnGeP2晶体的结晶生长。将ZnGeP2晶体的原料放入PBN坩埚中,将坩埚放入生长装置采用水平温度梯度冷凝的方法生长出高质量的ZnGeP2晶体。

(3)坩埚下降法[54]

坩埚下降法也是常用的生长ZnGeP2晶体的一种方法,使用这种方法生长晶体的生长炉中会设计成具有一定的温度梯度,装有ZnGeP2原料的坩埚先放在高温区进行升温,等原料熔化之后,再将坩埚缓慢移动到低温区,随着坩埚从高温区到低温区移动的过程中,晶体会逐渐结晶,生长成大块单晶。这种方法可以将熔体完全密封在坩埚中,这对某些挥发性材料会起到很好的抑制作用,而且生长炉中可以同时放置多个坩埚,所以可以有多个晶体同时生长,从而提高了生长效率。