Введение к работе
Актуальность темы
Поиск и создание новых лазерных материалов, позволяющих эффективно генерировать излучение с различными длинами волн, представляет одну из основных задач квантовой электроники и лазерной физики. В то же время развитие электроники характеризуется все более ускоряющимся процессом миниатюризации рабочих элементов и заметное значение приобретают твердотельные периодические структуры. Поэтому для увеличения эффективности преобразования и расширения диапазона генерируемых длин волн предлагается использовать периодические структуры или сочетать в одном образце нелинейные и активные (лазерные) свойства и периодическую структуру.
Сейчас активно развиваются работы по созданию и исследованию принципиально новых лазерных материалов, сочетающих в себе как свойства активирующего иона (в основном, редкоземельного), нелинейные свойства материала (например, генерация гармоник, суммарных и разностных частот), так и геометрические факторы (фотонные кристаллы), способные существенно изменить оптические характеристики исследуемого объекта.
Большой интерес как с точки зрения необычности физических свойств, так и практических целей, представляют периодические структуры с изменяющимися от слоя к слою набором электрических, оптических или пьезоэлектрических характеристик, сформированные в диэлектрических материалах.
Особый интерес вызывают активно-нелинейные кристаллы (АНК), которые сочетают в себе активные (лазерные) свойства (за счет наличия примесей редкоземельных ионов - РЗИ) и нелинейно-оптические свойства матрицы-основы. В таких кристаллах возможно осуществление процессов самопреобразования частоты лазерной генерации, когда в одном кристалле одновременно происходят лазерная генерация излучения на определенной частоте и нелинейно-оптическое преобразование этой частоты. Однако, существующие в настоящее время АНК позволяют реализовать лишь несколько нелинейно-оптических процессов из-за ограничений, связанных с дисперсионными свойствами кристаллов.
В качестве перспективной для эффективных нелинейных преобразований среды можно выделить сегнетоэлектрические кристаллы с регулярной доменной структурой (РДС). Для них возможна реализация условия фазового синхронизма в случае генерации второй гармоники (ГВГ) практически в любых нецентросимметричных кристаллических средах. В таких кристаллах снимаются ограничения на поляризацию взаимодействующих волн, а, следовательно, возможна реализация квазисинхронизма в любом направлении относительно оптических осей кристалла. Благодаря подбору
оптимального размера периода структуры возможна одновременная генерация двух и более оптических гармоник в одном кристалле. В кристаллах с РДС возможно использование максимальных по величине элементов тензора нелинейной восприимчивости.
Поэтому в последние десятилетия значительное внимание в экспериментальных и теоретических работах уделяется нелинейно-оптическим кристаллам с одномерными периодическими структурами, образованными системой сегнетоэлектрических доменов. Одномерные системы доменов проще изготовить, они сравнительно легче, чем многомерные, поддаются математическому описанию с помощью простых моделей. Для их создания могут быть применены хорошо развитые методы микроэлектронной промышленности (например, литография). Развитие методов создания стабильных регулярных доменных структур с заданной геометрией и субмикронными периодами важно для создания преобразователей длины лазерного излучения с использованием эффекта квазифазового синхронизма.
Сегнетоэлектрический нелинейно-оптический кристалл ниобата лития с регулярной доменной структурой является одним из наиболее перспективных для использования в подобных целях. К его преимуществам можно отнести возможность получения высокой нелинейности коэффициента й?зз, не достижимой при обычном фазовом синхронизме; широкий диапазон нелинейно-оптических взаимодействий в одномерных и двумерных периодических доменных структурах; возможность уменьшения восприимчивости к оптическому повреждению.
С развитием технологий на данный момент РДС можно получить как в процессе роста кристалла, так и в процессе постростовой обработки - переполяризацией высоким напряжением, сканированием по поверхности электронным лучом, электрооптическим и электротермическим методами и так далее.
Однако, какой бы метод (ростовой или постростовой) не использовали для получения доменной структуры, на данный момент невозможно создать идеально регулярную доменную структуру. Всегда существует некая погрешность расположения доменных стенок (неидеальная доменная структура называется квазипериодической или квазирегулярной доменной структурой) и ее необходимо учитывать при расчете эффективности ГВГ в кристаллах в РДС.
Цель работы
1. Для случая нелинейного кристалла исследовать статистическое распределение координат доменных стенок на примере модели нерегулярности, характерной для постростового случая получения РДС. Сравнить эффективность ГВГ для случаев идеальной и квазирегулярной доменных структур.
2. Для случая активно-нелинейного кристалла рассмотреть теорию внутрирезонаторной ГВГ для квазипериодической доменной структуры. Сравнить эффективность ГВГ для случаев идеальной и квазирегулярной доменных структур. Получить выражение для интенсивности выходного излучения и определить оптимальные значения параметров системы.
Научная новизна
Исследовано влияние на ГВГ статистического распределения координат доменных стенок на примере модели нерегулярности, характерной для постростового случая.
Впервые теория внутрирезонаторной ГВГ для активно-нелинейного кристалла применена для случая квази-РДС.
Практическая значимость полученных результатов
Выполненный анализ нерегулярности позволяет выбрать оптимальный метод создания периодических структур с определенной степенью квазирегулярности для целей преобразования излучения во ВГ.
Полученные выражения для интенсивности выходного излучения и найденные оптимальные значения параметров исследуемых кристаллов применимы для создания установки на основе кристалла с РДС.
Результаты работы использованы при выполнении государственного контракта № 02.513.11.3404.
Защищаемые положения
Получены аналитические выражения для интенсивности ВГ для нелинейного кристалла в случае квази-РДС, когда доменная структура в среднем является периодической, однако доменные стенки случайным образом смещены относительно своих средних положений.
Показано, что флуктуации доменных стенок при определенных условиях становятся определяющими для интенсивности ВГ.
Определено влияние статистического распределения координат доменных стенок на эффективность ГВГ.
Для активно-нелинейного кристалла с квази-РДС получены аналитические выражения для эффективности внутрирезонаторной ГВГ. Расчеты выполнены в предположении случайного отклонения положения доменных стенок от средних значений.
Для случая активно-нелинейного кристалла произведена оценка максимального значения выходной интенсивности ВГ.
Апробация работы
Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях:
Международной конференции «Лазерная физика - 2004» (Аштарак, Армения, 2004);
Политехническом симпозиуме «Молодые ученые - промышленности Северо-Западного региона» (Санкт-Петербург, 2004);
XIII Республиканской научной конференции студентов, магистрантов и аспирантов (Гродно, Беларусь, 2005);
Одиннадцатой Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (Екатеринбург, 2005);
IV Международной конференции молодых ученых и специалистов «Оптика-2005» (Санкт-Петербург, 2005);
3-ей Международной конференции по лазерной оптике для молодых ученых «The third international conference on laser optics for young scientists» (Санкт-Петербург, 2006).
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Работа изложена на 108 страницах, включает 25 рисунков и список литературы содержит 95 наименований.
Личный вклад автора
Все изложенные в диссертационной работе оригинальные результаты получены автором лично или при его непосредственном участии.
