Спектральная зависимость показателя преломления новых материалов для лазерной, волоконной и интегральной оптики тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

004618899

На правах рукописи

Назарьянц Виталий Олегович

Спектральная зависимость показателя преломления новых материалов для лазерной, волоконной и интегральной оптики

01.04.07 — физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

с,' 3 ЯН В 201?

Москва — 2010

004618899

Работа выполнена в Научном центре волоконной оптики Российской академии наук

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор

Плотниченко Виктор Геннадиевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор

Надеждинский Александр Иванович, Институт общей физики им. A.M. Прохорова РАН

Ведущая организация: Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В. Скобельцына

Защита состоится 27 декабря 2010 года в 15 часов на заседании Диссертационного совета Д 002.063.02 в Институте общей физики имени A.M. Прохорова РАН по адресу: 119991 Москва, ул. Вавилова, 38, корп. 1, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института общей физики им. A.M. Прохорова РАН.

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Алещенко Юрий Анатольевич, Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН

Автореферат разослан « » ноября 2010 г.

Учёный секретарь Диссертационного совета

тел. (499) 503-83-94

Общая характеристика работы Актуальность темы

В последние годы всё большее число исследователей, занимающихся разработкой методов изготовления и изучением свойств волоконных световодов, переключается на новые оптические материалы, позволяющие значительно расширить как спектральный диапазон использования волоконно-оптических устройств, так и создавать на их основе более эффективные и компактные устройства, в частности — волоконные лазеры и усилители, источники широкополосного излучения, датчики различных физических полей и многое другое. Продолжается совершенствование и разработка новых методов изготовления широко используемых в интегральной оптике материалов, таких, например, как кремний и арсенид галлия, а также материалов для окон мощных газовых лазеров — в первую очередь, селенида и сульфида цинка.

Для оценки качества получаемых материалов и перспективности использования новых устройств на их основе необходимы знания многих физико-химических характеристик материалов, в частности спектральной зависимости их коэффициента поглощения и показателя преломления (ПП).

К настоящему времени разработано несколько методик, позволяющих с достаточной точностью измерять коэффициент поглощения твердотельных материалов вплоть до уровня в 1 дБ/км (2.3-10"6 см'1). Существенно хуже развиты методы прецизионных измерений спектральной зависимости ПП, особенно в среднем ИК диапазоне, для которого имеется сравнительно небольшое количество мощных монохроматических источников и высокочувствительных приёмников излучения. Наиболее часто используемый для прецизионных измерений ПП метод наименьшего отклонения требует изготовления призм довольно больших размеров, достигающих 5-6 см, что не всегда возможно в процессе разработки новых, особенно высокочистых материалов. Кроме того, многие новые материалы имеют ПП,

превышающий 2, что не позволяет использовать хорошо развитые рутинные методики измерения, требующие иммерсирования поверхности исследуемых образцов.

При разработке новых видов как волоконных, так и планарных световодов, особенно микроструктурированных, требуется знание ПП во всей области прозрачности материала с точностью не хуже 1-10"3 - 1-Ю"4, что позволяет, в частности, рассчитывать многие дисперсионные характеристики разрабатываемых световодов. Знание значений ПП на различных длинах волн необходимо также для расчёта характеристик приборов широкого диапазона применения, включая медицинские системы визуализации, фотографию, производство высококачественных оптических линз для фотолитографии, а также многолинзовых объективов и систем различного функционального назначения. Так, при изготовлении оптических приборов ПП должен быть известен с погрешностью 5-Ю"4, а его дисперсия — до 5-Ю"5. Поэтому в процессе изготовления оптических систем рекомендуется применять методы контроля ПП, обеспечивающие точность (1+2)-1(Г5, а в ответственных случаях — до 5-10"6 (когда нужно выдерживать фокусные параметры системы с точностью до сотых долей процента).

Цели диссертационной работы

1. Разработка и использование прецизионной методики измерения показателя преломления твердотельных материалов в области их высокой прозрачности с точностью 1-Ю'3 — 1-Ю"4 в ближнем и среднем инфракрасном диапазонах (от 0,8 до 25 мкм); поскольку новые материалы изготавливаются сначала в малых объёмах, методика должна обладать высокой чувствительностью при использовании образцов малой толщины (около 1-2 мм);

2. Измерение ПП как новых материалов, так и уже используемых в волоконной и интегральной оптике, но получаемых в более чистом виде, таких как фосфатные и теллуритные стекла, селенид и сульфид цинка, арсе-

нид галлия, кремний и другие;

3. Измеренные значения ПП необходимо было приблизить плавной аналитической кривой, что позволяет с хорошей степенью точности рассчитывать дисперсию ПП материала, его материальную дисперсию и её наклон, длину волны нулевой материальной дисперсии и многие другие характеристики материалов и устройств на их основе.

Научная новизна работы

1. Проведён анализ влияния различных факторов на измерение интерференционных спектров пропускания высокочистых материалов в области их прозрачности, изготовленных в виде плоскопараллельных пластинок высокого оптического качества. Найдены оптимальные условия измерения спектров с помощью используемого нами фурье-спектрометра для определения спектральной зависимости ПП с точностью не хуже 10"4 - 1СГ5. Предложен критерий однозначного определения порядка интерференционных максимумов в спектрах пропускания плоскопараллельных пластин для расчёта спектральной зависимости ПП. При высоком качестве изготовления и однородности образцов методика позволяет определять ПП с точностью 10"4 - 10"5, что, как правило, либо на порядок лучше известных нам литературных данных, либо находится в соответствии с наилучшими измерениями, выполненными методом наименьшего отклонения, но дающими гораздо меньший объём данных по спектральной зависимости ПП.

2. Показано, что при наличии в спектре пропускания полос поглощения на уровне 1-КЗО см'1 данная методика позволяет зарегистрировать соответствующие им смещения в ПП на уровне 1СГ4 - 10"5. Впервые измерено смещение в спектральной зависимости ПП в области слабой линии поглощения интенсивностью 1,7 см"1.

3. Впервые измерены спектральные зависимости ПП ряда фосфатных стёкол с добавкой редкоземельных элементов, теллуритных стёкол систем Те02^0з-Ьа20з и Те02-\У0з-Ьа203-В120з, монокристаллов моноизотопов

кремния 2831,2981 и 3081, уточнены спектральные зависимости ПП кристаллов СаАв, а также материалов, изготовленных по усовершенствованным методикам, — СУБ^пБ и СУО^пБе.

4. Для всех исследованных материалов измеренные значения ПП аппроксимированы функцией Коши. Уточнены спектральные зависимости первой производной ПП и материальной дисперсии, определены значения длины волны нулевой материальной дисперсии, необходимые для расчётов различных оптических характеристик и геометрических параметров проектируемых на их основе волоконных и планарных световодов.

Практическая ценность результатов

1. При высоком качестве изготовления и однородности образцов разработанная методика позволяет определять ПП с точностью 104 - 10"5, при этом не требуя никаких дополнительных измерений другими прецизионными методами.

2. Полученные спектральные зависимости теллуритных стёкол систем Те02-\\'0з-Ьа203 и Те02-\*Юз-Ьа20з-ВЬ0з использованы в расчёте одномо-довых волоконных световодов, перспективных для создания лазеров на вынужденном комбинационном рассеянии, а также микроструктурированных световодов для задач генерации суперконтинуума.

Положения, выносимые на защиту:

1. Разработка прецизионной методики определения спектральной зависимости ПП высокопрозрачных твердотельных материалов в ближнем и среднем ИК диапазонах.

2. Критерий однозначного определения порядка интерференционных максимумов в спектрах пропускания плоскопараллельных пластин для расчёта спектральной зависимости ПП.

3. Спектральные зависимости ПП фосфатных стёкол с добавкой редкоземельных элементов составов 6,25К20-6,25№20-6,25Ва0-6,25Са0-7,81УЬ203-3,13В203-6,258Ю2-57,81 Р205, 8Кта20-4Са0-16УЬ203-128ЮГ

8В20з-48Р205, 9Ы2С0з-4,5А14В209-5Н20-5УЬ20з-4УЬРз-22ВР04-55,ЗР205 и 17Ь1Р-6А!2Оз-]0У(РОз)з-54Р2О5-12В2Оз-1ВЬОз, высокочистых теллурит-ных стёкол систем Те02-\У0з-Ьа20з и Те02-\У0з-Ьа20з-В120з, а также полученных по усовершенствованной методике СУО^пБ и СУО^пБе.

4. Спектральные зависимости ПП монокристаллов высокочистых моноизотопных 293¡, 305; и кремния с природным изотопным составом.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 5 печатных статей в рецензируемых журналах, определяемых ВАК РФ. Список статей приведён в конце автореферата.

Апробация работы

Результаты исследований, представленные в диссертационной работе, докладывались на научных семинарах НЦВО РАН и НИИЯФ им. Д.В. Скобельцына, на XIII конференции «Высокочистые вещества и материалы. Получение, анализ, применение.» (Н. Новгород, 28-31 мая 2007) и XIV Международной научной конференции «Физико-химические процессы при селекции атомов и молекул» (Звенигород (Ершово), 4-8 октября 2010).

Структура и объём диссертации

Диссертация состоит из введения, трёх глав и заключения, благодарностей и списка цитируемой литературы. Текст иллюстрируют 65 рисунков, 20 таблиц, библиография содержит 84 ссылки. Общий объём диссертации составляет 122 машинописных страницы.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели работы, описана её структура, изложены положения, которые выносятся на защиту.

В Главе 1 диссертации представлен обзор некоторых наиболее распространённых методов измерения ПП твердотельных материалов в облас-

ти их высокой прозрачности. Анализ этих методов показывает, что наилучшим для выполнения поставленных задач является метод интерференционной рефрактометрии.

В Главе 2 представлена методика интерференционной рефрактометрии для определения спектральной зависимости показателя преломления. Проведён анализ влияния различных факторов на измерение спектров пропускания образцов, изготовленных в виде плоскопараллельных пластин высокого оптического качества. Указаны требования к параметрам экспериментальных установок, которые необходимо выдерживать для измерения ПП с точностью не хуже 1-Ю"4: угол падения пучка света на образец должен быть меньше 1 градуса, угловая апертура сходящегося пучка, падающего на образец, не должна превышать 2 градуса, температура, при которой производится измерение спектров пропускания, должна быть стабилизирована в пределах 0,1 °С, точность определения положений максимумов в измеренных, спектрах пропускания — 0,1 см"1 (на частоте 10000 см"1). Требования к параметрам образцов: однородность материала, а также высокая степень полировки граней, плоскостность, неоднородность образца по толщине (обусловленная шероховатостью, непараллельностью граней образца или отклонением от плоскостности) на площади падения пучка спектрометра не должна превышать 0,1 мкм, точность измерения толщин образцов ±0,1 мкм. Показано, что при наличии интерференции в области линий поглощения они не влияют на расчёт показателя преломления. Предложен новый критерий однозначного определения порядков интерференции в спектрах пропускания, использующий данные, полученные для двух и более образцов одного и того же материала, имеющих разную толщину, и не требующий дополнительных измерений другими прецизионными методиками. Он заключается в анализе для всех длин волн X диапазона измерений соотношения

я», (Я) _ [О теоретически

тг(Я) 1г2 в эксперименте .

где т\2 — порядки максимумов интерференции в спектрах образцов 1 и 2, ¿1,2 — толщины образцов, ДХ) — некая функция длины волны. Это уравнение с нулевой правой частью выражает тот факт, что у обоих образцов показатель преломления одинаковый и толщина известна с абсолютной точностью. Однако из-за конечной точности определения толщины образцов и положений максимумов в эксперименте правая часть уравнения обычно отличается от 0. Отбираются только те значения т^, при которых эта зависимость наименьшая (соответствует наименьшему наклону функции .ДА) относительно оси X). Для примера на Рис. 1 показана зависимость левой части уравнения (1) от частоты для оптимальных т¡д и отличающихся на ±1 (для двух образцов природного изотопного состава):

Длина волны, мкм

1,67 2 4 6 810

Волновое число, см"1 Рис. 1. Спектральная зависимость левой части уравнения (1) для оптимальных т\_2 и отличающихся на ±1.

Из Рис. 1 видно, что применение критерия позволяет определить порядки максимумов с абсолютной точностью. Экспериментально подгвер-

ждено, что такой критерий отбора порядков максимумов интерференции в спектре пропускания даёт единственное решение, если образцы обладают хорошим оптическим качеством.

Для всех исследованных материалов полученные спектральные зависимости показателя преломления аппроксимированы обобщённой дисперсионной функцией Коши

= + (2)

¡I 4 '

где i = 2, 4, 6, 8... Это приближение было выбрано постольку, поскольку в пределах области прозрачности материала оно хорошо описывает поведение спектральной зависимости показателя преломления и, к тому же, является линейным по показателю преломления, а следовательно, более точным (с математической точки зрения), чем, например, формула Селмейера. Однако это приближение не описывает поведение спектральной зависимости показателя преломления в области линий поглощения, поэтому при их наличии в спектре пропускания соответствующая спектральная зависимость показателя преломления разбивалась на участки, для которых определялись отдельные полиномиальные приближения, дающие наилучшую аппроксимацию.

Методика экспериментальных исследований включает в себя изготовление образцов в виде плоскопараллельных пластин высокого оптического качества, измерение спектров пропускания образцов в диапазоне от 12000 до 350 см"1 (от 0,8 до 28,5 мкм) с высоким и низким разрешением (для спектров с интерференцией и без неё) с помощью вакуумного фурье-спектрометра IFS-113v (фирмы Bruker) и спектров пропускания (без интерференции) в диапазоне от 0,2 до 3,3 мкм с помощью спектрофотометра Lambda 900 (фирмы Perkin Elmer). В ходе исследований были найдены оптимальные условия проведения измерений спектров пропускания для получения наибольшего контраста интерференционной картины. В частности, был подобран температурный режим работы фурье-спектрометра, при

10

котором измерение спектров пропускания является наиболее стабильным, а диафрагмирование пучка позволило уменьшить угловую апертуру в области перетяжки, где помещается образец. Применение дополнительного термостабилизатора для образца позволило увеличить стабильность спектров пропускания в ходе накопления, а следовательно и точность определения положений максимумов.

В Главе 3 представлены результаты измерений спектральной зависимости ПП различных оптических материалов — СаР2, плавленого кварца марок КС4В и КУ-1, монокристаллического ОаАв, фосфатных стёкол с примесью редкоземельных элементов составов 6,25К20-6,25Ш20-6,25ВаО-6,25СаО-7,81УЪ203-3,1 ЗВ203-6,255Ю2-57,81Р205, 8Ыа20-4Са0-16\Ъ20з-125Ю2-8В20з-48Р205, 9П2СОз-4,5А14В209-5Н20-5УЪ2Оз-4УЪРз-22ВР04-55,ЗР205 и 17ЫР-6А12О3-10У(РОз)з-54Р2О5-12В2Оз-1В12Оз, высокочистых теллуритных стёкол систем Те02-иЮз-Ьа20з и Те02^03-Ьа203-В^Оз, полученных по усовершенствованной методике СУТЭ^пЗ и СУЭ-гпБе, монокристаллов высокочистых моноизотопных 2831,2981, 3081 и кремния с природным изотопным составом.

СаК2, кубический монокристалл высокого оптического качества, был выбран нами в качестве эталонного материала. Малые температурные коэффициенты и наличие литературных и справочных данных позволило нам подтвердить работоспособность нашей методики. На Рис. 2 представлена спектральная зависимость ПП СаР2 и имеющиеся литературные данные по ссылкам, указанным в диссертации. Видно, что полученная нами спектральная зависимость СаР2 прекрасно согласуется с литературными данными, полученными с высокой точностью (кривая 4), разница обусловлена более высокой температурой, при которой измерялись спектры пропускания образцов в нашем случае:

0,91 1 1.44 л-г

Длина волны, мкм 4 710

¡5 1.32-

о. с:

с; 2 о

ё 1.36-

1.40- 2 3

1.4218

1.4216-

1.4222

1 4220

10000 8000 6000 4000 2000

Олпилйлл кклпа ли'^

Волновое число, см'

■1

Рис. 2. Спектральная зависимость ПП СаР2 (I) и литературные данные

Из Рис. 2 видно, что полученная нами спектральная зависимость СаИг прекрасно согласуется с литературными данными, полученными с высокой точностью (кривая 4), разница обусловлена более высокой температурой, при которой измерялись спектры пропускания образцов в нашем случае.

Представлены расчёты для кварцевого стекла (8Ю2) двух марок — КУ-1 (-1000 ррт ОН) и КС4В (<0,05 ррт ОН). Показано, как наличие полосы поглощения (связанной в данном случае с ОН-группами) влияет на расчёт ПП.

Следующим материалом исследований стал монокристаллический СаАв. Разрабатываются технологии выращивания различных структур из соединений АПВУ1 на подложках из ОаАв для создания лазеров среднего ИК диапазона. Одной из характеристик, которые необходимо контролировать у получаемых слоев и однозначно связанных с их составом, является показатель преломления. Однако для точного расчёта ПП слоёв необходимы знания значений ПП используемой подложки с точностью не хуже, чем до третьего знака после запятой во всем диапазоне измерений.

(2>(4).

Спектральная зависимость ПП исследованного нами беспримесного полуизолирующего кристаллического ваАв и имеющиеся литературные данные (по ссылкам, указанным в диссертации) представлены на Рис. 3: 1 Длина волны, мкм д 17

3.55

к

I 3.50 0)

1 3.45

0

2. 3.40

с

ц 3.35

(Ц

1 3.30

га

3.25 3.20

Рис. 3- Спектральная зависимость ПП ваАв (1) и литературные данные (2)-(4).

В достаточно широком спектральном диапазоне наши измерения позволили увеличить точность определения ПП ОаАз почти на порядок по сравнению с имеющимися литературными данными.

Фосфатные стёкла с добавкой редкоземельных элементов считаются перспективным материалом для применения в качестве активных элементов световодов. Впервые измерена спектральная зависимость ПП полученных в ИОФ РАН фосфатных стёкол следующих составов: А 6,25К20-6,25Ма20-6,25Ва0-6,25Са0-7,81УЪ203-3,13В20з-6,258Ю2-57,81Р205, активаторы Сг, Ег, УЬ (05);

^ 8Ыа20-4Са0-16УЬ20з-128Ю2-8В20з-48Р205, активаторы Ег, УЪ (Об); А 9Ь12С0з-4,5А14В209-5Н20-5УЬ20з-4УЬРз-22ВР04-55,ЗР205, активаторы Кё, Ег, УЬ (£>7);

^ 171ЛР-6 А120з-10 У(Р03)з-54Р205-12В203-1ВЬ03, активатор В1 (£>§).

13

Волновое число, см"1

На Рис. 4 представлены спектральные зависимости ПП для всех измеренных составов фосфатных стёкол. В использованном по оси ординат масштабе все кривые кажутся гладкими, однако в области полос поглощения они испытывают смещение или «скачок», который хорошо описывается моделью осцилляторов Лоренца.

3 4 5

1.54

Длина волны, мкм 1 2

12000 10000

2000

Волновое число, см"

Рис. 4. Спектральные зависимости ПП образцов фосфатных стёкол для всего диапазона измеренных кривых пропускания (точки — значения ПП, полученные методом наименьшего отклонения).

На Рис. 5 показаны спектральные зависимости пропускания (1, 2), поглощения (3) и ПП (4) образцов стекла Об в области полосы поглощения 1535 нм ионов Ег. Хорошо видна полоса поглощения, как в спектре без интерференции, так и её влияние на спектр плоскопараллельной пластины, записанный с высоким разрешением.

Длина волны, нм Длина волны, нм

Рис. 5. Спектральные зависимости пропускания (1 - разрешение 0,1 см"1, 2 - разрешение 2 нм (~8 см"1)), поглощения (3 - рассчитано из спектров пропускания), и ПП (4) образцов стекла Об в области полосы поглощения 1535 нм ионов Ег.

Благодаря высокой достигнутой точности измерения ПП (не хуже 10~5) нам удалось наблюдать характерное изменение спектральной зависимости ПП в области полосы поглощения. Из Рис. 5 видно, что при интенсивности полосы поглощения около 1,7 см"1 ПП испытывает смещение на уровне 10"5, который трудно наблюдать при использовании других методов измерения, в частности метода наименьшего отклонения.

Следующим объектом исследований стали теллуритные стёкла, в частности, перспективные для создания микроструетурированных световодов. Одним из наиболее интересных применений таких световодов из теллуритных стёкол является генерация в них суперконтинуума в области среднего ИК диапазона. Волноводная дисперсия микроструктурированных световодов позволяет сместить длину волны нулевой материальной дисперсии в коротковолновую область спектра, что даёт возможность использовать для накачки суперконтинуума эрбиевые и тулиевые лазеры.

В ИХВВ РАН разработаны методы получения высокочистых теллуритных стёкол с рекордно низким содержанием ОН-групп, что обеспечивает малые оптические потери в среднем ИК диапазоне в световодах на основе данных стёкол. Проведено прецизионное измерение спектральной за-

висимости ПП полученных теллуритных стёкол составов 69Те02 - 23WOз - 8Ьа203 и 68Те02 - 22WOз - 8Ьа203 - 2В*203. На Рис. 6 представлены соответствующие спектральные зависимости ПП, а также первой и второй

а) б)

Рис. 6. Спектральные зависимости ПП (а), первой производной и материальной дисперсии (б) теллуритных стёкол составов 68Те02 - 22№Ю3 - 8Ьа203 - 2ВЬ03 (7) и 69Те02 - 23\У03 - 8Ьа203 (2).

Полученные спектральные зависимости ПП теллуритных стёкол этих составов использовались для определения дисперсионных и волноводных свойств микроструктурированных световодов на их основе, перспективных для генерации суперконтинуума при длине волны накачки в области 2 мкм.

СУО-гпв и СУБ^пБе являются достаточно хорошо изученными материалами, широко применяемыми в оптических элементах различных устройств инфракрасного диапазона. Однако классический метод СУО стараются модифицировать таким образом, чтобы зёрна поликристаллов были более однородными по размеру вне зависимости от толщины изготавливаемого образца, так что оптические свойства вещества были бы неизменны по всему объёму образцов. В диссертационной работе приведены результаты расчёта спектральной зависимости ПП образцов СУО-гпБ и СУБ-гиБе высокой степени чистоты, полученных в ИХВВ РАН по модифицированной методике. На Рис. 7 для примера показаны спектральные

зависимости ПП полученных образцов СУБ-г^е:

16

-1-1-.-1-1-1-.-1-1-1—

О 4 8 12 16 20

Длина волны, мкм

Рис. 7. Спектральные зависимости ПП СУО-гпБе (7 — наши результаты, 2-5 — имеющиеся литературные данные по различным модификациям по ссылкам, приведённым в тексте диссертации).

Из Рис. 7 видно, что ПП полученных образцов ОЛЗ-гпБе лежит выше литературных данных по СУБ-гпБе (кривые 2 и 3), что свидетельствует о более высокой их оптической плотности. Аналогичные результаты получены для СУБ-гпЗ.

Кристаллический кремний известен как основной материал микроэлектроники и солнечной энергетики. Одновременно он является перспективным оптическим материалом, имеющим высокую прозрачность в ближней и средней ИК области спектра. В последние годы быстрыми темпами развивается кремниевая фотоника, которая, как ожидается, найдёт широкое применение в новом поколении волоконно-оптических систем связи и передачи информации, а моноизотопный кремний рассматривается в качестве основного элемента квантовых компьютеров.

В ИХВВ РАН разработана технология изготовления высокочистых

монокристаллов моноизотопов кремния 2831,29Б1 и 308ь Для их характери-

зации была измерена спектральная зависимость показателя преломления в

17

области прозрачности кремния от 1,05 до 25,5 мкм. На Рис. 8 представлена спектральная зависимость ПП исследованных моноизотопов 2881, 2931 и 3051, а также кремния с природным изотопным составом (""Б!):

а) б)

Рис. 8. Спектральная зависимость показателя преломления образцов монокристаллов 2851 (7), ^ (2), 3081 (5) и (4) во всём диапазоне измерений (а) и вблизи 2 мкм (б).

Из Рис. 86 видно, что наблюдаемые спектральные зависимости ПП в области вдали от электронных и фононных переходов смещаются вниз друг относительно друга при увеличении атомной массы изотопа кремния. Такой сдвиг можно объяснить с помощью классической модели решётки осцилляторов с дипольным взаимодействием, из которой следует, что, поскольку энергии краёв собственного электронного и фононного поглощения зависят от изотопного состава, при увеличении массы атома край электронного поглощения смещается в коротковолновую сторону, а край двухфононного поглощения — в длинноволновую сторону. В результате в области прозрачности дисперсионная кривая ПП смещается вниз без заметных изменений формы, что и наблюдается в эксперименте.

Также наблюдается зависимость положения фононных линий поглощения в спектрах пропускания. Для примера на Рис. 9 представлены спектры поглощения образцов 2831, 2981,3081 и ""Б! в области ИК поглощения фононов (ТО + ТА), рассчитанные из измеренных спектров пропускания

без интерференции, а также соответствующие спектральные зависимости ПП:

Волновое число, см"1 Волновое число, см'1

Рис. 9. Спектральные зависимости поглощения (а) и ПП (б) образцов 2831 (7), 2951 (2), 3081 (3) и (4) в области 600 см"1 (16,5 мкм).

На Рис. 9а видно смещение этой полосы поглощения в область больших длин волн с увеличением атомной массы изотопа кремния. На Рис. 96 отражается зависимость дисперсионной кривой ПП от атомной массы изотопа кремния, которая проявляется и в смещении уровня самой кривой, и в сдвиге областей, обусловленных линиями поглощения.

В заключении сформулированы основные результаты диссертации.

Основные результаты и выводы 1. Разработана интерференционная методика измерения спектральной зависимости показателя преломления (ПП) твердотельных материалов в области их высокой прозрачности (коэффициент поглощения менее 20 см"1) с точностью 1-Ю"3 - 1-10"5 в зависимости от качества изготовления образцов и однородности материала из которого они изготовлены. Для этого используются две или более плоскопараллельные пластины из исследуемого материала (или одна пластина, толщину которой уменьшают между измерениями).

Отличие разработанной методики от традиционной интерференционной рефрактометрии состоит в том, что в ней впервые предложено использовать критерий, позволяющий однозначно определить номер максимумов интерференции в спектрах пропускания пластин и затем рассчитать ПП материала во всем диапазоне измерений, при этом она не требует дополнительных данных по ПП, полученных другими прецизионными методами.

2. Показано, что при наличии в спектре пропускания полос поглощения данная методика позволяет зарегистрировать соответствующие им смещения в ПП на уровне 10"4 -10"5. Впервые измерено смещение в спектральной зависимости ПП в области слабой линии поглощения интенсивностью 1,7 см"1.

3. Впервые определены спектральные зависимости ПП ряда новых лазерных фосфатных стёкол (в области длин волн от 0,8 до 4 мкм) и теллурит-ных стёкол 69ТеО2-23\Юз-8Ьа20з и 68ТеОг22\УОз-8Е.а2Оз-2В^Оз (в области длин волн от 0,9 до 5,45 мкм), на основе которых разрабатываются волоконные световоды, перспективные для создания лазеров на вынужденном комбинационном рассеянии, усилители и преобразователи излучения ближнего и среднего ИК диапазонов.

4. Измерена спектральная зависимость ПП полуизолирующего кристаллического ваАв, используемого в качестве подложек в микроэлектронике, в диапазоне длин волн от 0,9 до 18,6 мкм с точностью не хуже 510"*, превышающей примерно на порядок точность имеющихся табличных данных.

5. Измерена спектральная зависимость ПП структурно однородных пластин поликристаллических СУБ^пБе (в диапазоне длин волн от 0,9 до 22 мкм) и СУО-гпБ (от 0,8 до 13,4 мкм), изготавливаемых в Институте химии высокочистых веществ РАН (г. Нижний Новгород). Показано, что изменение (в процессе выращивания) температуры подложки по определённому закону приводит к более однородному распределению размера зёрен, общий уровень ПП оказывается выше, чем при выращивании при постоянной

температуре. Это говорит о более высокой плотности и, следовательно, о более высоком оптическом качестве получаемых образцов селенида и сульфида цинка.

6. Впервые измерены спектральные зависимости ПП монокристаллов моноизотопов 2881, 29Б1 и 3081 высокой степени чистоты, изготовленных в Институте химии высокочистых веществ РАН (г. Нижний Новгород). Диапазон длин волн измерений составил от 1,05 до 25,5 мкм. Показано, что с ростом атомной массы изотопа спектральная зависимость ПП сдвигается в область меньших значений, что может быть объяснено с помощью классической модели решётки осцилляторов с дипольным взаимодействием.

7. Для всех исследованных материалов измеренные значения ПП аппроксимированы функцией Коши, уточнены спектральные зависимости первой производной ПП и материальной дисперсии материалов, определены значения длины волны нулевой материальной дисперсии, необходимые для расчётов различных оптических характеристик и геометрических параметров проектируемых на их основе устройств, волоконных и планарных световодов. Значения длины волны нулевой материальной дисперсии 2о и показателя преломления на этой длине волны п(2о) для всех изученных в данной работе материалов (кроме кремния) приведены в следующей Таблице:

Материал x0, мкм nQ. o)

CaF2 1,55 1,4261

КС4В (Si02) 1,27 1,4485

КУ-1 (Si02) 1,29 1,4485

GaAs 6,61 3,2957

6,25K20-6,25Na20-6,25BaO-6,25CaO-7,81Yb203-3,13B203-6,25Si02-57,81P205 1,43 1,5135

8Na20-4Ca0-l 6Yb203-12Si02-8B203-48P205 1,45 1,5304

9Li2C03-4,5Al4B209-5H20-5Yb203-4YbF3-22BP04-55,3P205 1,31 1,5226

17LiF-6Al2O3-10Y(PO3)3-54P2Or12B2O3-lBi2O3 1,38 1,5304

68Te02-22W03-8La203-2Bi203 2,22 2,0656

69Te02-23W03-8La203 2,21 2,0569

CVD-ZnSe 4,84 2,4313

CVD-ZnS 3,64 2,2549

Список печатных работ по теме диссертации

1. В.Г. Плотниченко, В.О. Назарьянц, Е.Б. Крюкова, Ю.Н. Пырков, Е.М. Дианов "Прецизионное измерение спектральной зависимости показателя преломления оптических материалов для лазерной, волоконной и интегральной оптики" Неорганические материалы, 45,3 (2009) С. 366-372

2. V.G Plotnichenko, V.O. Nazaryants, Е.В. Kiyukova and Е.М. Dianov "Spectral dependence of the refractive index of single-crystalline GaAs for optical applications" J. Phys. D: Appl. Phys. 43,10,105402 (2010)

3. Ю.П. Яценко, В.О. Назарьянц. А.Ф. Косолапое, М.С. Астапович, В.Г. Плотниченко, Е.М. Дианов, А.Н. Моисеев, М.Ф. Чурбанов, В.В.

Дорофеев, А.В. Чмлясов, Г.Е. Снолатин «Дисперсионные и волноводные характеристики микроструктурированных световодов из теллуритного стекла 68Те02 - 22W03 - 8La203 - 2Bi203 для генерации суперконтинуума" Квантовая электроника, 40, 6 (2010) С. 513-518

4. У.О. Nazarvants. Е.В. Kryukova, Е.М. Gavrishchuk, V.B. Ikonnikov, S.M. Mazavin, and V.G Plotnichcnko "Spectral dependence of the refractive index of chemical vapor deposition ZnSe grown on substrate with an optimized temperature increase" Applied Optics 49, 25 (2010) 4723-4727.

5. В.Г. Плотниченко, В .О. Назарьянп. Е.Б. Крюкова, В.В. Колташев, В.О. Соколов, А.В. Гусев, В.А. Гавва, М.Ф. Чурбанов, Е.М. Дианов "Показатель преломления монокристаллов моноизотопных 2SSi, 29Si и 30Si в ближнем и среднем ИК-диапазоне" Квантовая электроника, 40, 9 (2010) С. 753-755

Список докладов на конференциях

6. Назарьянп В.О.. Плотниченко В.Г., Пырков Ю.Н., Гаврищук Е.М., Караксина Э.В. Спектральная зависимость показателя преломления высокочистых CVD-ZnS и CVD-ZnSe в средней ИК области. - Тезисы докладов XIII конференции "Высокочистые вещества и материалы. Получение, анализ, применение. Н. Новгород, 2007,28-31 мая, С. 188189.

7. Гусев А.В., Чурбанов М.Ф., Гавва В.А., Козырев Е.А., Котерева Т.В., Дианов Е.М., Плотниченко В.Г., Назарьянц В.О. Получение монокристаллов стабильных изотопов кремния и исследование их оптических свойств. - Тезисы докладов XIV Международной научной конференции "Физико-химические процессы при селекции атомов и молекул", Звенигород (Ершово), 2010,4-8 октября, С. 30.

Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Подписано в печать 22.11.2010

Гарнитура Times. Печать Riso. _Усл. печ. л. 1. Тираж 120 экз. Заказ 0457_

Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии ИП «Экспресс тиражирование» 410005, Саратов, Пугачёвская, 1 б 1, офис 320 ® 27-26-93

Введение.

Глава 1.

Обзор некоторых методов измерения ПП твердотельных материалов в области их высокой прозрачности.

Методы, основанные на измерении коэффициента отражения.

Определение ПП по абсолютному значению пропускания.

Определение ПП по контрасту модуляции.

Определение ПП с использованием огибающих спектров пропускания тонких плёнок.

Определение ПП по расстоянию между экстремумами модуляции.

Метод наименьшего отклонения.

Измерение ПП с помощью интерферометров.

Глава 2.

Разработка прецизионной методики определения спектральной зависимости показателя преломления оптических материалов из спектров пропускания.

Методика расчёта спектральной зависимости ПП из измеренных спектров пропускания образцов.29

Однослойная структура.37

Численные расчёты.38

Зависимость модуляции пропускания от ПП (без учёта его дисперсии и поглощения). 39

Зависимость модуляции от толщины непоглощающей пластинки.40

Зависимость модуляции от однородного (не зависящего от длины волны) поглощения

41

Изменение модуляции пропускания из-за неоднородности пластины по толщине.42

Зависимость модуляции пропускания от угла падения плоскопараллельного пучка на образец.44

Зависимость модуляции пропускания от угловой апертуры сходящегося пучка, падающего на образец.45

Расчёт ПП пластинки из спектра пропускания, полученного с учётом дисперсии ПП (в отсутствие поглощения).48

Полоса поглощения.49

Зависимость от температурного коэффициента ПП.51

Влияние точности определения номеров максимумов, их положения и толщины образцов на расчёт спектральной зависимости ПП.53

Точность определения положения максимума.54

Точность измерения толщины.55

Определение номеров максимумов.55

Описание методики экспериментальных исследований.57

Глава 3.59

Результаты измерений спектральной зависимости показателя преломления высокопрозрачных оптических материалов.59

Фторид кальция.60

Кварцевое стекло.64

Арсенид галлия [36].68

Новые фосфатные стёкла с примесью редкоземельных элементов [45].75

Теллуритные стёкла [49].82

СУБ-гпБ.85

СУБ-гпБе [62].90

71].96

Заключение.109

Благодарности.113

Литература.114

Введение

В последние годы всё большее число исследователей, занимающихся разработкой методов изготовления и изучением свойств волоконных световодов, переключается на новые оптические материалы, позволяющие значительно расширить как спектральный диапазон использования волоконно-оптических устройств, так и создавать на их основе более эффективные и компактные устройства, в частности — волоконные лазеры и усилители, источники широкополосного излучения, датчики различных физических полей и многое другое. Продолжается совершенствование и разработка новых методов изготовления широко используемых в интегральной оптике материалов, таких, например, как кремний и арсенид галлия, а также материалов для окон мощных газовых лазеров — в первую очередь, селенида и сульфида цинка.

Для оценки качества получаемых материалов и перспективности использования новых устройств на их основе необходимы знания многих физико-химических характеристик материалов, в частности спектральной зависимости их коэффициента поглощения и показателя преломления (ПП).

К настоящему времени разработано несколько методик, позволяющих с достаточной точностью измерять коэффициент поглощения твердотельных материалов вплоть до уровня в 1 дБ/км (2.3-10"6 см"1). Существенно хуже развиты методы прецизионных измерений спектральной зависимости ПП, особенно в среднем ИК диапазоне, для которого имеется малое количество мощных монохроматических источников и высокочувствительных приёмников излучения. Наиболее часто используемый для прецизионных измерений ПП метод наименьшего отклонения требует изготовления призм довольно больших размеров, достигающих 5-6 см, что не всегда возможно в процессе разработки новых, особенно высокочистых материалов. Кроме того, многие новые материалы имеют ПП, превышающий 2, что не позволяет использовать хорошо развитые рутинные методики измерения, требующие иммерсирования поверхности исследуемых образцов.

При разработке новых видов как волоконных, так и планарных световодов, особенно микроструктурированных, требуется знание ПП во всей области прозрачности материала с точностью не хуже 1-10"3 — 1-10"4, что позволяет, в частности, рассчитывать многие дисперсионные характеристики разрабатываемых световодов. Знание значений ПП на различных длинах волн необходимы также для расчёта характеристик приборов широкого диапазона применения, включая медицинские системы визуализации, фотографию, производство высококачественных оптических линз для фотолитографии, а также многолинзовых объективов и систем различного функционального назначения [1]. Так, при изготовлении оптических приборов ПП должен бьггь известен с погрешностью 5-10"4, а его дисперсия — до 5-Ю5. Поэтому в процессе изготовления оптических систем рекомендуется применять методы контроля ПП, обеспечивающие точность (1-^2)-10~5, а в ответственных случаях — до 5-10"6 (когда нужно выдерживать фокусные параметры системы с точностью до сотых долей процента) [2].

Постановка задачи исследований

В данной работе была поставлена задача разработки и использования прецизионной методики измерения показателя преломления твердотельных материалов в области их высокой прозрачности с точностью 1-Ш3 — 1-1СГ4 в ближнем и среднем инфракрасном диапазонах (от 0.8 до 25 мкм) и измерение ПП как новых материалов, так и уже используемых в волоконной и интегральной оптике, но получаемых в более чистом виде, таких как теллуритные стекла, селенид и сульфид цинка, арсенид галлия, кремний и другие.

Измеренные значения ПП необходимо было приблизить плавной аналитической кривой, что позволяет с хорошей степенью точности рассчитывать дисперсию ПП материала, его материальную дисперсию и её наклон, длину волны нулевой материальной дисперсии и многие другие характеристики материалов и устройств на их основе. Поскольку новые материалы изготавливаются сначала в малых объёмах, методика должна обладать высокой чувствительностью при использовании образцов малой толщины (около 1-2 мм).

Анализ существующих методов показал, что для решения поставленной задачи наилучшим образом может подойти методика интерференционной рефрактометрии, которую необходимо было усовершенствовать и использовать для измерений ПП изготавливаемых в настоящее время оптических материалов. До начала выполнения данной работы эта методика ввиду своей сложности использовалась довольно редко и применялась для уточнения спектральной зависимости ПП уже хорошо изученных материалов, при этом обязательно использовались значения ПП на отдельных длинах волн, полученные другими прецизионными методиками, или известный ход дисперсии ПП. Необходимо было разработать самостоятельную методику, не требующую никаких дополнительных измерений.

Научная новизна

• Проведён анализ влияния различных факторов на измерение спектров пропускания высокочистых материалов в области их прозрачности, изготовленных в виде плоскопараллельных пластинок высокого оптического качества. Найдены оптимальные условия измерения спектров пропускания с помощью используемого нами фурье-спектрометра для определения спектральной зависимости ПП с точностью не хуже 10"4 — 10"5. При высоком качестве изготовления и однородности образцов методика позволяет определять ПП с точностью 10"5 (для материалов с небольшим ПП) - 10"4 (для материалов с большим ПП), что, как правило, либо на порядок лучше известных нам литературных данных, либо находится в соответствии с наилучшими измерениями, выполненными методом наименьшего отклонения и дающими гораздо меньший объём данных по спектральной зависимости ПП.

• Показано, что при наличии в спектре пропускания полос поглощения на уровне 1^-30 см"1 данная методика позволяет зарегистрировать соответствующие им смещения в ПП на уровне 10"4 - 10"5. Впервые измерено смещение в спектральной зависимости ПП в области слабой линии поглощения интенсивностью 1,7 см"1.

Впервые методом интерференционной рефрактометрии измерены спектральные зависимости ПП кристаллов СаАэ, фосфатных стёкол с добавкой редкоземельных элементов, теллуритных стёкол систем Те02-Ш0з-Ьа203 и Те02-\У03-Ьа20з-В120з, изготовленных по новой технологии монокристаллов моноизотопов кремния 2851, 2951, 3051, а также материалов, изготовленных по усовершенствованным методикам — СУГ^пБ и СУО-гпБе.

• Аппроксимация измеренных значений ПП дисперсионной функцией Коши для всех исследованных материалов позволила уточнить спектральные зависимости первой производной ПП и материальной дисперсии, а также определить значения длины волны нулевой материальной дисперсии, необходимые для расчётов различных оптических характеристик и геометрических параметров проектируемых на их основе волоконных и планарных световодов.

На защиту выносится

1. Разработка прецизионной методики определения спектральной зависимости ПП высокопрозрачных твердотельных материалов в ближнем и среднем ИК диапазоне.

2. Критерий однозначного определения порядка интерференционных максимумов в спектрах пропускания плоскопараллельных пластин для расчёта спектральной зависимости ПП.

3. Спектральные зависимости пропускания и ПП нескольких составов фосфатных стёкол с добавкой редкоземельных элементов, теллуритных стёкол систем ТеСЬ-^/Оз-ЬагОз и Те02^0з-Ьа20з-В120з, полученных по усовершенствованной методике СУБ-ЕпБ и СУБ^пБе.

4. Спектральные зависимости пропускания и ПП монокристаллов высокочистого близкого к природному составу и моноизотопного кремния 2851, 2951 и 3051, полученных по новой технологии.

Основные результаты работы можно сформулировать следующим образом:

1. Разработана интерференционная методика измерения спектральной зависимости ПП твердотельных материалов в области их высокой прозрачности (коэффициент поглощения менее 20 см"1) с точностью 1*10"3 - 1-Ю"5 в зависимости от качества изготовления образцов и однородности материала, из которого они изготовлены. Для этого используются две или более плоскопараллельные пластины из исследуемого материала (или одна пластина с последовательно уменьшаемой между измерениями толщиной). Отличие разработанной методики от традиционной интерференционной рефрактометрии состоит в том, что в ней впервые предложено использовать критерий, позволяющий однозначно определить номер максимумов интерференции в спектрах пропускания пластин и затем рассчитать значения ПП материала во всем диапазоне измерений, при этом методика не требует дополнительных данных по ПП, полученных другими прецизионными методами.

2. Показано, что при наличии в спектре пропускания полос поглощения данная методика позволяет зарегистрировать соответствующие им смещения в ПП на уровне 10"4 - 10~5. Впервые измерено смещение в спектральной зависимости ПП в области слабой линии поглощения интенсивностью 1,7 см"1.

3. Впервые определены спектральные зависимости ПП ряда новых лазерных фосфатных стёкол (в области длин волн от 0,8 до 4 мкм) и теллуритных стёкол 69Те02-23\\Юз-8Ьа20з и 68Те02-22\У03-8Ьа203-2ВЬ03 (в области длин волн от 0,9 до 5,45 мкм), на основе которых разрабатываются волоконные световоды, перспективные для создания лазеров на вынужденном комбинационном рассеянии, усилители и преобразователи излучения ближнего и среднего ИК диапазонов.

4. Измерена спектральная зависимость ПП полуизолирующего кристаллического СэАб, используемого в качестве подложек в микроэлектронике, в диапазоне длин волн от 0,9 до 18,6 мкм с точностью не хуже 5-10*4, превышающей примерно на порядок точность имеющихся табличных данных.

5. Измерена спектральная зависимость ПП структурно однородных пластин поликристаллических СУТЭ-гпБе (в диапазоне длин волн от 0,9 до 22 мкм) и СУБ-гпБ (от 0,8 до 13,4 мкм), изготавливаемых в Институте химии высокочистых веществ РАН (г. Нижний Новгород). Показано, что изменение (в процессе выращивания) температуры подложки по определённому закону приводит к более однородному распределению размера зёрен, общий уровень ПП оказывается выше, чем при выращивании при постоянной температуре. Это говорит о более высокой плотности и, следовательно, о более высоком оптическом качестве получаемых образцов селенида и сульфида цинка.

6. Впервые измерены спектральные зависимости ПП монокристаллов моноизотопных 2851, 2931 и 3051 высокой степени чистоты, изготовленных в Институте химии высокочистых веществ РАН (г. Нижний Новгород). Диапазон длин волн измерений составил от 1 до 25,5 мкм. Показано, что с ростом атомной массы изотопа спектральная зависимость ПП сдвигается в область меньших значений, что может быть объяснено классической моделью решётки осцилляторов с дипольным взаимодействием.

7. Для всех исследованных материалов измеренные значения ПП аппроксимированы функцией Коши, уточнены спектральные зависимости первой производной ПП и материальной дисперсии, определены значения длины волны нулевой материальной дисперсии, необходимые для расчётов различных оптических характеристик и геометрических параметров проектируемых на их основе устройств, волоконных и планарных световодов.

Структура работы

Результаты работы представлены в виде введения, трёх глав и заключения.

Во введении изложена постановка задачи и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведён обзор некоторых наиболее распространённых методов определения ПП твердотельных материалов в области их высокой прозрачности.

Во второй главе описана разработка прецизионной методики определения спектральной зависимости ПП оптических материалов из спектров пропускания, представлена модель пропускания плоскопараллельной пластинки и произведён анализ влияния различных факторов на расчёт спектральной зависимости ПП на основе этой модели.

Третья глава посвящена результатам экспериментальных исследований различных оптических материалов — БЮг (марок КУ-1 и КС4В), СУТЭ-гпБ, СУО-гпБе, СэАб, СаБг, теллуритных стёкол систем Те02-\\Ю3-Ьа203 и Те02-\У0з-Ьа20з-В120з, фосфатных стёкол различных составов с добавками редкоземельных элементов, монокристаллов близкого к природному составу и моноизотопов 2851,2Э51 и 305Ь

В заключении сформулированы итог работы и основные положения, выносимые диссертантом на защиту.

Всего 120 страниц, 67 рисунков, 17 таблиц, 84 ссылки. По результатам работы опубликовано 5 статей.

Основные результаты работы заключаются в следующем:

1. Разработана интерференционная методика измерения спектральной зависимости ПП твердотельных материалов в области их высокой прозрачности (коэффициент поглощения менее 20 см"1) с точностью 1-Ю"3 - 1-105 в зависимости от качества изготовления образцов и однородности материала, из которого они изготовлены. Для этого используются две или более плоскопараллельные пластины из исследуемого материала (или одна пластина с последовательно уменьшаемой между измерениями толщиной). Отличие разработанной методики от традиционной интерференционной рефрактометрии состоит в том, что в ней впервые предложено использовать критерий, позволяющий однозначно определить номер максимумов интерференции в спектрах пропускания пластин и затем рассчитать значения ПП материала во всем диапазоне измерений, при этом методика не требует дополнительных данных по ПП, полученных другими прецизионными методами.

2. Показано, что при наличии в спектре пропускания полос поглощения данная методика позволяет зарегистрировать соответствующие им смещения в ПП на уровне 10"4 -10"5. Впервые измерено смещение в спектральной зависимости ПП в области слабой линии поглощения интенсивностью 1,7 см"1.

3. Впервые определены спектральные зависимости ПП ряда новых лазерных фосфатных стёкол (в области длин волн от 0,8 до 4 мкм) и теллуритных стёкол 69Те02-23\У0з-8Ьа20з и 68Те02-22\ЛЮ3-8Ьа203-2ВЬ03 (в области длин волн от 0,9 до 5,45 мкм), на основе которых разрабатываются волоконные световоды, перспективные для создания лазеров на вынужденном комбинационном рассеянии, усилители и преобразователи излучения ближнего и среднего ИК диапазонов.

4. Измерена спектральная зависимость ПП полуизолирующего кристаллического СаАэ, используемого в качестве подложек в микроэлектронике, в диапазоне длин волн от 0,9 до 18,6 мкм с точностью не хуже 5-10"4, превышающей примерно на порядок точность имеющихся табличных данных.

5. Измерена спектральная зависимость ПП структурно однородных пластин поликристаллических СУБ-ЕпБе (в диапазоне длин волн от 0,9 до 22 мкм) и СУБ-гпБ (от 0,8 до 13,4 мкм), изготавливаемых в Институте химии высокочистых веществ РАН (г. Нижний Новгород). Показано, что изменение (в процессе выращивания) температуры подложки по определённому закону приводит к более однородному распределению размера зёрен, общий уровень ПП оказывается выше, чем при выращивании при постоянной температуре. Это говорит о более высокой плотности и, следовательно, о более высоком оптическом качестве получаемых образцов селенида и сульфида цинка.

6. Впервые измерены спектральные зависимости ПП монокристаллов моноизотопных 28Б1, 2951 и :!051 высокой степени чистоты, изготовленных в Институте химии высокочистых веществ РАН (г. Нижний Новгород). Диапазон длин волн измерений составил от 1 до 25,5 мкм. Показано, что с ростом атомной массы изотопа спектральная зависимость ПП сдвигается в область меньших значений, что может быть объяснено классической моделью решётки осцилляторов с дипольным взаимодействием.

7. Для всех исследованных материалов измеренные значения ПП аппроксимированы функцией Коши, уточнены спектральные зависимости первой производной ПП и материальной дисперсии, определены значения длины волны нулевой материальной дисперсии, необходимые для расчётов различных оптических характеристик и геометрических параметров проектируемых на их основе устройств, волоконных и планарных световодов. Значения длины волны нулевой материальной дисперсии До и показателя преломления на этой длине волны п(Д0) для всех изученных в данной работе материалов приведены в следующей Таблице:

Материал Àq, mkm n(Á o)

CaF2 1,55 1,4261

КС4В (Si02) 1,27 1,4485

КУ-l (Si02) 1,29 1,4485

GaAs 6,61 3,2957

6,25K20-6,25Na20-6,25Ba0-6,25Ca0-7,81Yb203-3,13B203-6,25Si02-57,81P205 1,43 1,5135

8Na20-4Ca0-16Yb203-12Si02-8B203-48P205 1,45 1,5304

9Li2C03-4,5Al4B209-5H20-5Yb203-4YbF3-22BP04-55,3P2Os 1,31 1,5226

17LÍF-6A1203-10Y(P03)3-54P205-12B203-1BÍ203 1,38 1,5304

68Te02-22W03-8La203-2Bi203 2,22 2,0656

69ТеОг-2 3 W03-8La203 2,22 2,0567

CVD-ZnSe 4,84 2,4313

CVD-ZnS 3,64 2,2549

Благодарности

Автор выражает глубокую признательность своему научному руководителю доктору физико-математических наук, профессору Плотниченко Виктору Геннадиевичу за постоянное внимание, всестороннюю поддержку и плодотворное обсуждение результатов.

Выполнение данной работы было бы невозможно без сотрудничества с ИХВВ, РАН, предоставлявшим образцы материалов для исследований. Автор выражает глубокую благодарность коллективу оптического участка НЦВО РАН за изготовление образцов плоскопараллельных пластин высокого качества, сотрудникам лаборатории спектроскопии НЦВО РАН Крюковой Е.Б. (за измерение спектров пропускания с помощью фурье-спектрометра), Колташеву В.В. (за измерение спектров комбинационного рассеяния) и Соколову В.О. (за объяснение сдвига спектральных зависимостей ПП кремния в зависимости от массы изотопа). Также автор признателен Пыркову Ю.Н. за измерения ПП материалов методом наименьшего отклонения.

Неоценимую помощь при работе с литературой оказали Исхакова Л.Д. и Полякова Т.А. Автор благодарит Яценко Ю.П. за критическую рецензию работы при подготовке диссертации к защите.

Глубокая благодарность выражается сотрудникам ЛГИИС ПИЯФ им. Б.П. Константинова и лично Турухано Б.Г. за помощь в работе с голографическим длиномером.

Автор выражает признательность директору НЦВО РАН академику Дианову Е.М. за постановку интересной задачи исследования оптических свойств новых материалов, перспективных для применения в волоконной и интегральной оптике; постоянный интерес, поддержку, плодотворную критику и внимание к работе.

Заключение

Таким образом в данной работе разработана прецизионная методика определения спектральной зависимости ПП оптических материалов во всей области их прозрачности из интерференционных спектров пропускания пластин толщиной до 1 -1,5 мм. Рассмотрено влияние различных факторов на спектры и последующий расчёт спектральной зависимости ПП. Проанализированы и указаны условия, накладываемые на качество образцов и измерение их спектров пропускания, при которых спектральная зависимость ПП может быть определена с точностью не хуже 1-10"4 - 1-10"5 во всей области прозрачности материала. Основным преимуществом данного метода по сравнению с другими является его высокая чувствительность, широкий диапазон длин волн, и при этом высокое разрешение (большой набор данных). Кроме того, не требуется наличия монохроматических источников излучения и однородных образцов больших размеров. Предложен новый критерий однозначного выбора номеров максимумов в методике расчёта спектральной зависимости ПП и применён для определения спектральной зависимости ПП различных оптических материалов, применяющихся в лазерной, волоконной и интегральной оптике, в области их высокой прозрачности в среднем и ближнем ИК диапазоне (СаБг, СаАБ, кварцевое стекло КС4В и КУ-1, СУБ-гпБ и СУБ^пБе). Спектральные зависимости ПП новых материалов (фосфатных и теллуритных стёкол приведённых выше составов, монокристаллов 28Б1, 2951 и 3051) измерены впервые.

1. Gupta and S.G. Kaplan, "High accuracy ultraviolet index of refraction measurements using a Fourier transform spectrometer J. Res. Natl. 1.st. Stand. Technol. 108, 429-437 (2003)

2. Порохова Т.Г. Оптические измерения. Часть 2. ЛИТМО, Ленинград, 1976

3. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика (Том 2. Теория поля)

4. Т. Е. Jenkins, I. L. Morris and S. R. Goodes, "A simple method for the measurement of the refractive index of a transparent solid", Phys. Educ., 27 (1992) 27-31

5. Т. E. Jenkins, "Errors in the refractive indices of solids measured using a 45° an-gle-of-incidence technique ", Meas. Sci. Technol. 11 (2000) 828-832

6. Morris I L and Jenkins T E 1989 A semi-automatic method for the determination of the refractive index of solids J. Phys. E: Sci. Instrum. 22 27-30

7. D. Poelman and Ph. F. Smet, "Methods for the determination of the optical constants of thin films from single transmission measurements: a critical review ", J. Phys. D: Appl. Phys. 36 (2003) 1850-1857

8. Thomas C. Paulick, "Inversion of normal-incidence (R,T) measurements to obtain n + ik for thin films Appl. Opt., 25, No. 4 (1986) 562-564

9. R Swanepoel, "Determination of the thickness and optical constants of amorphous silicon", J. Phys. E: Sci. Instrum. 16 (1983) 1214-1222

10. D. A. Minkov, "Singularity of the solution when using spectrum envelopes for the computation of the optical constants of a thin dielectric layer," Optik (Stuttgart) 90(2), 80-84 (1992)

11. D. A. Minkov and R. Swanepoel, "Computerization of the optical characterization of a thin dielectric film," Opt. Eng. 32, 3333-3337 (1993).

12. A G Sisonyuk, "A posteriori error of the transmission interference method of thin film refractive index calculation", J. Phys. D: Appl. Phys. 29 (1996) 1068-1070

13. Juan-María González-Leal, Rafael Prieto-Alcón, José-Andrés Angel, Dorian A. Minkov, and Emilio Márquez, "Influence of Substrate Absorption on the Optical and

14. Geometrical Characterization of Thin Dielectric Films," Appl. Opt. 41, 7300-7308 (2002)

15. Гребенщиков И. В., Власов А. Г., Непорент Б. С., Суйковская Н. В. Просветление оптики. Уменьшение отражения света поверхностью стекла / Под ред. акад. И. В. Гребенщикова M.-JL: ОГИЗ. 1946. 212 с.

16. J. Alonso and Е. Bernabeu, "A method for the measurement of the refractive index of dielectric cylinders", Pure Appl. Opt., 6 (1997) 147-152

17. S.Y. El-Zaiat, "Measuring the thickness and refractive index of a thick transparent plate by an unexpanded laser beam", Optics & Laser Technology, 29, No. 2, (1997) 63-65

18. M.T. Tavassoly, "A simple method for measuring the refractive index of a plate ", Optics and Lasers in Engineering 35 (2001) 397-402

19. D. Tentori and J.R. Lerma, Refractometry by minimum deviation: accuracy analysis, Opt. Eng. 29 (1990) 160-168

20. Debenham M., "Refractive indices of zinc sulfide in the 0.405 13-pm wavelength range," Appl. Opt. 23 (1984) 2238-2239

21. J. Zhang, J.Q. Xu, Ch.Y. Gao, Sh.Ch. Si "Modified Michelson interferometer for probing refractive index of birefringent crystal CSBN50 " Opt. Laser Eng. 47 (2009) 1212-1215

22. H. El-Kashef, G. E. Hassan, and I. El-Ghazaly "Mach-Zehnder optical system as a sensitive measuring instrument", Appl. Opt. 33, 16, (1994) 3540-3544

23. S. De Nicola, P. Ferraro, A. Finizio, G. Pesce and G. Pierattini "Reflective grating interferometer for measuring the refractive index of transparent materials" Opt. Comm. 118, 5-6 (1995) 491-494

24. Васильев A.B., Войцеховский В.В., Плотниченко В.Г. Измерение спектральной зависимости показателя преломления твердотельных материалов в области их высокой прозрачности // Высокочистые вещества. 1991. № 3. С. 39-49.

25. Гребенщиков И. В., Власов А. Г., Непорент Б. С., Суйковская Н. В. Просветление оптики. Уменьшение отражения света поверхностью стекла / Под ред. акад. И. В. Гребенщикова М.-Л.: ОГИЗ. 1946. 212 с.

26. Фирсов И.Г., Плотниченко В.Г., Васильев О.А., «Расчёт коэффициентов Сел-мейера для высокопрозрачных твёрдотельных материалов», М. 1990

27. Н.Н. Li, "Refractive index of ZnS, ZnSe, and ZnTe and its wavelength and temperature derivatives," J. Phys. Chem. Ref. Data 13,1 (1984).

28. Smith D Y, Inokuti M and Karstens W 2001 J. Phys.: Condens. Matter 13 3883

29. I. H. Malitson, "A redetermination of some optical properties of calcium fluoride," Appl. Opt. 2,1963 1103-1107.

30. Masahiko Daimon and Akira Masumura "High-accuracy measurements of the refractive index and its temperature coefficient of calcium fluoride in a wide wavelength range from 138 to 2326 nm " Appl. Opt. 41, 25, (2002) 5275-5281

31. H. H. Li "Refractive index of alkaline earth halides and its wavelength and temperature derivatives" J. Phys. Chem. Ref. Data 9,161 (1980)

32. Malitson, I. H., J. Opt. Soc. Am., 55, 1205, 1965.

33. Hertzberger, M. and Salzberg, C. D., J. Opt. Soc. Am., 52, 420, 1962.

34. Rodney, W. S. and Spindler, R. J. "Index of refraction of fused quartz glass for ultraviolet, visible, and infrared wavelengths" J. Opt. Soc. Am. 44 (1954) 677; J. Res. Natl Bur. Stand. 53 (1966) 185.

35. Ajoy Ghatak, K. Thyagarajan Introduction to fiber optics, Cambridge Univ. Press, 1998

36. Kimura T. (1986). Basic concepts of the optical waveguide. Optical fiber transmission. Ed. K. Noda. North Holland Studies in Telecommunications, 6, North Holland, Amsterdam

37. V G Plotnichenko, V О Nazaryants, E В Kryukova and E M Dianov «Spectral dependence of the refractive index of single-ciystalline GaAs for optical applications» J. Phys. D: Appl. Phys. 43, 10, 105402 (2010)

38. A. Gallian, V. V. Fedorov, J. Kernal, J. Allman, S. B. Mirov, E. M. Dianov, A. O. Zabezhaylov, I. P. Kazakov, «Spectroscopic studies of molecular-beam epitaxiallygrown Cr2+-doped ZnSe thin films», Appl. Phys. Lett. 86, 091105 (2005)

39. Swanepoel R., «Determination of the thickness and optical constants of amorphous silicon», J. Phys. E: Sci. Instrum., 16,1214 (1983)

40. R. Ramponi, R. Osellame, M. Marangoni, G. Sorbello, P. Laporta, S. Jiang, Y. Hu, N. Peyghambarian, «New Er-doped phosphate glass for ion-exchange active waveguides: accurate determination of the refractive index », Opt. Materials 14, 291 (2000)

41. Marple D.T.F., «Refractive Index of GaAs», J. Appl. Phys. 35, 1241 (1964)

42. Piriou В., Cabaner F., Compt. Rend. 255, 2932 (1962)

43. Marvin J. Weber, Handbook of Optical Materials, CRC Press, (2002)

44. Moriaki Wakaki, Keiei Kudo, Takehisa Shibuya, Physical Properties and Data of Optical Materials, CRC Press, (2007)

45. Karlsson G., Laurell F., Tellefsen J., Denker В., Galagan В., Osiko V., Sverchkov S. Development and characterisation of Yb-Er laser glass for high average power laser diode pumping И Appl Phys. B. 2002. V. 75. P. 41-46.

46. Denker В., Galagan В., Osiko V., Sverchkov S., Dianov E. Luminescent properties of Bi-doped boro-alumino-phosphate glasses // Appl. Phys. B. 2007. V. 87. P. 135137.

47. J. Goela and R. L. Taylor "Monolithic material fabrication by chemical vapor deposition", J. Mater. Sci., 23, 4331-4339 (1988).

48. Klein C.A., DiBenedetto В., Pappis J. "ZnS, ZnSe and ZnS/ZnSe windows: their impact on FLIR system performance" Opt. Eng., 25, 519-531 (1986).

49. Goela J.S., Salihbegovic Z."Low scatter, high quality water clear zinc sulfide". US Pat. # 6083561. (2000).

50. E. M. Gavrishchuk and Ё. V. Yashina "Zinc sulfide and zinc selenide optical elements for IR engineering" Journal of Optical Technology, 71, 822-827 (2004)

51. G. G. Devyatykh, E. M. Gavrishchuk, and E. V. Yashina "Effect of Deposition Conditions on the Microstructure of CVD ZnS" Inorganic Materials, 32,589-591 (1996)

52. H.H. Li, "Refractive index of ZnS, ZnSe, and ZnTe and its wavelength and temperature derivatives," J. Phys. Chem. Ref. Data 13,1 (1984).

53. A. Feldman, D. Horowitz, R.M. Waxier, and M.J. Dodge, "Optical materials characterization," Natl. Bur. Stand. (U.S.) Tech. Note 993, 63 (1979).

54. Debenham M., "Refractive indices of zinc sulfide in the 0.405- 13-pm wavelength range," Appl. Opt 23,2238-2239 1984.

55. Czyzak, S. J., Baker, W. M., Crane, R. C., and Howe, J. В., "Refractive Indexes of Single Synthetic Zinc Sulfide and Cadmium Sulfide Crystals," J. Opt. Soc. Am., 47, 240-242 (1957)

56. Kodak Publication U-72, (1971).

57. Handbook of optical constants of solids Edited by E.D. Palik Academic Press, 1985

58. Bieniewski, Т. M. and Czyzak, S. J., "Refractive Indexes of Single Hexagonal ZnS and CdS Crystals," J. Opt. Soc. Am., 53,496-497 (1963).

59. Е.М. Гаврищук, В.Б. Иконников, JI.A. Кузнецов, СМ. Мазавин. Выращивание структурно однородных пластин CVD-ZnSe в условиях длительных экспериментов. Неорганические материалы. 2009. В печати.

60. A Feldman, D. Horowitz, R.M. Waxier, and MJ. Dodge, "Optical materials characterization," Nad. Bur. Stand. (U.S.) Tech. Note 993,63 (1979).

61. H.H. Li, "Refractive index of ZnS, ZnSe, and ZnTe and its wavelength and temperature derivatives," J.'Phys. Chem. Ref. Data 13,1 (1984).

62. A R Hilton, and С. E. Jones, "The thermal change in the non-dispersive infrared refractive index of optical materials" Appl. Opt., 6,1513, (1967).

63. Kodak Publication U-72, (1971).

64. В.Г. Плотниченко, B.O. Назарьянц. Е.Б. Крюкова, B.B. Колташев, B.O. Соколов,

65. A.В. Гусев, В.А. Гавва, М.Ф. Чурбанов, Е.М. Дианов «Показатель преломления монокристаллов моноизотопных ^Si, ^Si и ^Si в ближнем и среднем ИК-диапазонах» Квантовая электроника, 40,9 (2010) С. 753-755

66. Р. Т. Greenland, S. A. Lynch, A. F. G. van der Meer, В. N. Murdin, С. R. Pidgeon,

67. B. Redlich, N. Q. Vinh, G. Aeppli "Coherent control of Rydberg states in silicon" Nature 465,1057-1061 (2010)

68. David F. Edwards and Ellen Ochoa, "Infrared refractive index of silicon," Appl. Opt. 19, 4130-4131 (1980)

69. Bradley J. Frey, Douglas B. Leviton, Timothy J. Madison "Temperature-dependent refractive index of silicon and germanium" Proc. SPIE, Vol. 6273,62732J (2006)

70. H.H. Li "Refractive index of silicon and germanium and its wavelength and temperature derivatives" J. Phys. Chem. Ref. Data 9,561 (1980)

71. C. D. Salzberg and John J. Villa, "Infrared Refractive Indexes of Silicon Germanium and Modified Selenium Glass," J. Opt. Soc. Am. 47,244-246 (1957)

72. H. B. Briggs, "Optical effects in bulk silicon and germanium," Phys. Rev. 77, 286-287

73. U.Fano Normal modes of a lattice of oscillators with many resonances and dipolar coupling. Phys. Rev. 1960, Vol. 118, N° 2, P. 451^55

74. В.М.Агранович, В.Л.Гинзбург Кристаллооптика с учётом пространственной дисперсии и теория экситонов. М.: Наука, 1979. — С. 348—362

75. M.Cardona Isotopic effects in the phonon and electron dispersion relations of crystals, phys. stat. sol. (b), 2000, Vol. 220, N° 1, P. 5-18

76. L.F.Lastras-Martmez, T.Ruf, M.Konuma, M.Cardona, D.E.Aspnes Isotopic effects on the dielectric response of Si around the El gap. Phys. Rev. B, 2000, Vol. 61, N° 19, P. 12946- 12951

77. A.K.Ramdas, S.Rodriguez, S.Tsoi, E.E.Haller Electronic band gaps of semiconductors as influenced by their isotopic composition. Solid State Communications, 2005, Vol. 133, N° 11, P. 709-714

78. C.P.Herrero Dependence of the silicon lattice constant on isotopic mass. Solid State Communications, 1999, Vol. 110, N° 5, P. 243-246

79. K.Winer, M.Cardona Theory of infrared absorption in silicon. Phys. Rev. B, 1987, Vol. 35, N° 15, P. 8189-81951950)