中远红外非线性光学晶体硒化镉的生长及应用性能研究

The mid-and-far infrared laser has significant applications in both military and civil field. With infrared nonlinear optical crystal as a frequency conversion material, solid-state, multi-wavelength tunable and high power output lasers can be realized. CdSe crystal has its own advantages such as broad transparent range, low absorption coefficient and large band gap, and it is the best material used for 8-10µm laser output. So the study on CdSe crystal has attracted extensive attention worldwide. Especially in our country, the demand of CdSe crystal is prominent and urgent in related fields. However, the performance of domestic products can not meet the need. In our research, the technology of three-temperature-zone synthesis and the vapor phase growth method with seed crystal as heat transfer path has been focused, together with the defect structure and optical performance. It will disclose the relationship between growth technics, defect structure and optical performance, and set up the growth technics of high-performance large single crystals. The research objective is single crystals with dimensions of Φ50mm×80mm and devices with dimensions of 10mm×10mm×50mm. The absorption coefficient will be reduced to 0.02 cm-1 in 2-3µm and 8-10µm range, and the performance will meet the application requirements.

中远红外激光在军事和民用领域都有极其重要的应用。利用红外非线性光学晶体作为频率转换介质材料，可实现激光器全固态化、多波长可调谐和大功率输出。硒化镉（CdSe）晶体具有透光波段宽，吸收系数低和带隙宽的优点，是实现8-10µm大气红外窗口波段激光输出的最佳增益介质材料，因此，该晶体研究得到广泛重视。特别是我国相关领域研究急需该材料，而目前国内生长的晶体质量不能满足应用要求。本课题主要开展CdSe多晶的三温区合成工艺研究；CdSe单晶的籽晶导热气相沉积法生长工艺研究；以及缺陷结构与光学性能研究。揭示生长工艺、缺陷结构与光学性能的关系，建立完善的大尺寸高质量的CdSe晶体生长工艺。预期目标：晶体尺寸Φ50mm×80mm；器件尺寸10×10×50mm；在2-3µm、8-10µm波段吸收系数低至0.02cm-1，性能满足激光器实际应用需求。

硒化镉（CdSe）晶体是实现8~10µm激光输出的最佳和最重要的选择介质材料。本课题采用三温区气相法合成高纯单相多晶；气相沉积法生长出高品质单晶体尺寸Φ30×60mm，并对晶体性能进行研究，10mm晶片在2.5μm~12.5μm波段的透过率在72%以上。.采用三温区气相传输法合成高纯单相多晶料。通过对由单质Cd与Se合成CdSe的反应热力学研究发现，500℃反应平衡常数为1.033×1012，反应为自发过程且进行彻底。采用单质Cd与Se分区气化，通过温度控制气化及传输速率，优化Cd与Se的气化温度分别为：750℃、400℃，二者在第三温区接触反应，生成的CdSe以固态形式沉积分离。该方法极大的降低了反应温度，提高了反应的安全性。气相反应法解决了传统气固法合成的CdSe以固态形式存在阻碍单质Cd与Se的进一步接触反应的问题，CdSe以固态形式沉积易与气态单质完全分离，产物纯度高，可以达到6N。.采用籽晶气相沉积法生长CdSe单晶体。多晶料气化温度约为1080~1130℃，单晶生长温度约为1000~1050℃，底部籽晶法可以生长得到单晶体尺寸Φ30×60mm，顶部籽晶导热法获得晶体尺寸很小，但是晶体质量更高。10mm晶片在2.5μm~12.5μm波段的透过率，底部籽晶法约为65%，顶部籽晶法为72%以上。.对CdSe晶体的能带结构、态密度等电子结构进行了研究。通过密度泛函理论的平面波赝势法，对CdSe晶体的发射、折射、消光与光吸收等性质进行了预测，由能带结构与态密度图分析出CdSe晶体的主要光学性质成因。