Résumé :
L’importance des sources laser dans le Moyen InfraRouge (MIR), notamment pour la détection de gaz à distance, a conduit au développement de cristaux aux propriétés optiques non linéaires. Parmi eux, le ZnGeP2 (ZGP) s’est imposé comme un matériau de référence pour les Oscillateurs Paramétriques Optiques (OPO), grâce à ses excellentes propriétés optiques et thermiques. Toutefois, une absorption optique résiduelle demeure autour de 2 µm, longueur d’onde clé pour le pompage des OPO. Des défauts ponctuels formés lors de l’élaboration des cristaux, notamment les lacunes de zinc (V-Zn), en sont responsables. Plusieurs traitements comme le recuit, l’irradiation électronique et le dopage à l’étain sont explorés pour la réduire.
Dans ce travail, ces approches sont étudiées pour améliorer la qualité optique du ZGP. L’élaboration des cristaux est d’abord mise en œuvre par la méthode Bridgman. Puis, en fonction des conditions de traitements des cristaux, des caractérisations des quantités en V-Zn sont réalisées par Résonance Paramagnétique Électronique (RPE) et des mesures d’absorption optique sont effectuées. Une diminution de la quantité en V-Zn d’un facteur 4 et une absorption optique de ~0,01 cm-1 sont observées dans ce travail.
Grâce à l’efficacité du dopage à l’étain combiné au recuit et à une dose d’irradiation, ces travaux montrent l’obtention de cristaux de ZGP de meilleure qualité optique, ouvrant la voie à des applications laser plus performantes.
Mots-clés : Croissance cristalline, Cristaux — Défauts, Faisceaux électroniques, Résonance paramagnétique électronique, Optique cristalline
Growth of ZnGeP2 single crystals and improvement of their optical performance by irradiation with high energy electrons and by chemical doping
Abstract:
The importance of Mid-Infrared (MIR) laser sources, particularly for remote gas detection, has led to the development of materials with nonlinear optical properties. Among them, ZnGeP2 (ZGP) has emerged as a reference material for Optical Parametric Oscillators (OPO), due to its excellent optical and thermal properties. However, a residual optical absorption remains around 2 µm, which is a key wavelength for OPO pumping. This absorption originates from point defects formed during crystal growth, such as zinc vacancies (V-Zn). Various treatments, such as annealing, electron irradiation, and tin doping are being explored in order to reduce it.
In this work, these approaches are studied to enhance the optical quality of ZGP. First, crystal growth is implemented using the Bridgman method. Then, depending on the crystal’s treatments conditions, V-Zn contents are characterized by Electron Paramagnetic Resonance (EPR) and optical absorption measurements are performed. A reduction of a factor 4 of the V-Zn content and an optical absorption of ~0,01 cm⁻¹ are observed in this work.
Thanks to the efficiency of tin doping combined with annealing and irradiation, this work demonstrates the production of ZGP crystals with improved optical quality, paving the way for more efficient laser applications.
Keywords: Crystal growth, Defects, Irradiation, EPR, Optics