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Ge-As-Te-(Se)硫系玻璃在10.6微米的声光特性研究
作者: irglass 时间: 2021-04-19 浏览:508 次

       近日,我室硕士生曹振飞(第一作者)和戴世勋研究员(第一通讯作者)在Journal of the American Ceramic Society期刊上发表了题为“Investigation of the acousto‐optical properties of Ge–As–Te–(Se) chalcogenide glasses at 10.6 mm wavelength”的论文(Journal of the American Ceramic Society. 2021, https://doi.org/10.1111/jace.17767)。

       声光(Acousto-Optic, AO)器件旨在快速有效地控制激光的频率、方向和强度,已产生众多固态器件如声光调制器,声光Q开关,声光偏转器等。目前商用声光器件已在紫外、可见光和近红外波段得到有效实用化。在中远红外波段,只有TeO2晶体和Ge单晶被广泛用作声光材料。TeO2晶体在3.39 mm处具有高的M2值(M2=1200×10-18 s3/g),但窄透过范围(0.35-5 mm)限制了声光器件在远红外波段的应用。单晶Ge具有很宽的透过范围(2-20 mm),但在10.6 mm处相对较低的声光品质因子(M2=120×10-18 s3/g)又限制了中远红外声光器件的性能提高。因此,为了提高中远红外波段声光器件性能,新型中远红外声光材料成为众多研究者的关注热点。硫系玻璃因其高折射率和低声速,故具有很高的声光品质因子M2。并且其宽的红外透过范围和易于生产大尺寸样品等优点使之成为一种新型优良的声光介质材料。通过玻璃组分调节,其声光品质因子M2比标准声光玻璃(SiO2)高出2-3个数量级,这可有效地补偿因波长增大导致的声光衍射效率h降低的缺陷。

       本文对比研究了(a) Ge10As90-xTex (x = 30, 40, 50, 60, 70 mol%) 和(b) Ge10As20Te70-ySey (y = 20, 30, 40, 50 mol%)两种系列硫系玻璃的物理、热学、光学、声学等性能及10.6 mm波长下声光特性与组成的内在变化关系,并利用脉冲回波法(图1(a))和Dixon-Cohen比较法(图1(b))分别表征Ge-As-Te-(Se)硫系玻璃在不同声频作用下的超声衰减a和声光品质因子M2。研究结果表明,(a) Ge10As90-xTex系列玻璃的 M2随着Te含量的增加而增加(如表1所示),Ge10As20Te70玻璃的M2值(M2=2279×10-18 s3/g)达到最大,其值是商用单晶Ge(M2=120×10-18 s3/g)的19倍。但该系列玻璃的热学和弹性性能有待提高,不同声频下的超声衰减也逐渐增大(图2(a))。对于(b) Ge10As20Te70-ySey系列玻璃而言,通过添加Se元素,其热学和弹性性能得到改善。Ge10As20Te70-ySey系列玻璃M2值略低于Ge10As90-xTex系列玻璃,但 Se含量的引入导致该系列玻璃超声衰减(图2(b))低于后者,且在30 MHz声频下最低的超声衰减为5.29 dB/cm(如表1所示)。两种系列硫系玻璃在低声频时的超声衰减差异要低于其在高声频时的差异(如图2所示)。Ge−As−Te−(Se)两种体系硫系玻璃较高的M2值弥补了因波长增大而造成声光衍射效率h降低的负面影响,有望在低声频中远红外声光器件应用。

图1(a) 采用脉冲回波法测量超声声速和声衰减装置示意图;(b)采用Dixon-Cohen比较法测量声光品质因子M2装置示意图

图2 (a) Ge10As90-xTex和(b) Ge10As20Te70-ySey玻璃在不同超声频率作用下的超声衰减变化曲线