Введение к работе
Актуальность темы.
Исследование эффектов воздействия оптического когерентного излучения на различные вещества стимулирует как развитие физики наблюдаемых явлений, так и развитие технологий, использующих эти эффекты, формирует новые требования к самому излучению по его энергетическим, спектральным и временным характеристикам. Большая востребованность источников когерентного излучения в средней инфракрасной области спектра обусловлена тем, что в этой области находятся окна прозрачности атмосферы и, кроме того, в этом диапазоне длин волн молекулы многих веществ имеют интенсивные колебательно-вращательные линии поглощения. В связи с этим излучение среднего инфракрасного диапазона нашло применение в таких сферах как дистанционное зондирование, мониторинг окружающей атмосферы, линейная и нелинейная спектроскопия, малоинвазивные хирургия и диагностика в медицине, прецизионные измерения частоты, системы инфракрасного направленного противодействия, атмосферные оптические линии связи. Все эти области приложения требуют малогабаритных, надежных в эксплуатации и эргономичных источников когерентного оптического излучения. По этой причине твердотельные лазерные системы остаются наиболее привлекательными источниками такого излучения.
На сегодня практическое использование доступных кристаллических лазеров ограничено длиной волны 5 мкм. Квантово-каскадные лазеры, покрывая всю среднюю инфракрасную область спектра 3-24 мкм, не могут, однако, генерировать импульсное излучение, имея в своем арсенале лишь квазинепрерывный режим. Кроме того, продемонстрированная до сих пор средняя мощность квантово-каскадных лазеров в диапазоне длин волн более 5 мкм не превышает 3 Вт [1, 2]. Таким образом, единственной альтернативой для приложений в среднем ИК диапазоне, требующих импульсного режима с высокой плотностью энергии и высокой средней мощностью, остаются системы параметрического преобразования частоты в нелинейных оптических кристаллах: параметрические генераторы света (ПГС) и генераторы разностной частоты (ГРЧ). При этом излучатели, основанные на ПГС и ГРЧ, дают возможность реализовать в одном устройстве непрерывную перестройку, перекрывающую широкий диапазон длин волн [3].
Область прозрачности оксидных нелинейных кристаллов со стороны инфракрасной части спектра ограничена 3-4 мкм. Далее следует полоса интенсивного фононного поглощения. Для получения излучения в среднем инфракрасном диапазоне от 4 мкм до 15 мкм необходимо использовать неоксидные кристаллы, такие как сульфиды, селениды, теллуриды, фосфиды и арсениды.
В качестве источников излучения накачки для параметрических генераторов целесообразно использование твердотельных лазерных систем на Nd , излучающих вблизи 1 мкм. Эти системы являются технологически наиболее разработанными источниками излучения с высокой средней мощностью. С применением диодной накачки на них можно предложить наилучшее сочетание высокой средней мощности излучения и высокой энергии одиночного импульса. Кроме того, подавляющая часть известных на сегодня неоксидных кристаллов обладает такой шириной запрещенной зоны, что накачка на длине волны 1 мкм является самой
коротковолновой, при которой еще возможно избежать эффектов двухфотонного поглощения, чего нельзя сказать о Ti-сапфировых системах, излучающих в окрестности 800 нм.
К настоящему времени значительное развитие получили двухкаскадные параметрические генераторы, позволяющие обойти проблемы двухфотонного поглощения. В первом каскаде таких ПГС излучение от Nd: YAG лазера преобразуется в оксидном кристалле в излучение диапазона 1.8-3.7 мкм, которое далее используется как излучение накачки неоксидного кристалла во втором каскаде. Использование в двухкаскадных ПГС и в ГРЧ нескольких ступеней преобразования частоты излучения усложняет общую схему и принцип работы излучателя, ухудшает массогабаритные характеристики и увеличивает общие потери. Более того, эффективность параметрического преобразования тем выше, чем лучше качество пучка накачки. Это накладывает дополнительные требования на излучение первого каскада.
При наличии подходящего нелинейного оптического кристалла гораздо предпочтительнее построение ПГС с одним каскадом преобразования, когда нелинейный неоксидный кристалл накачивается одномикронным лазерным излучением. Поиску и исследованию нелинейных материалов, пригодных для построения таких параметрических источников света, и посвящена настоящая работа. В ней продемонстрирована реализация подобных ПГС, измерены параметры полученного на выходе инфракрасного излучения.
До сих пор импульсные наносекундные параметрические генераторы с накачкой одномикронным излучением были продемонстрированы на 8 соединениях: Ag3AsS3 [4], AgGaS2 [5], HgGa2S4 [6], Hgl.xCdxGa2S4 [7], LiInSe2 [8], CdSiP2 [9], BaGa4S7 [10], LiGaS2 [11]. При этом преобразование одномикронного излучения в область среднего ПК диапазона за 5 мкм было реализовано на Ag3AsS3 [12], AgGaS2 [3], HgGa2S4 [13], CdSiP2 [9], LiInSe2 [14], BaGa4S7 [10], и на LiGaS2 [11]. На элементах из кристаллов LiInSe2, BaGa^ и LiGaS2 такое преобразование впервые было реализовано в ходе настоящих диссертационных исследований.
Представленные в диссертации результаты показывают перспективность применения однокаскадного ПГС с накачкой одномикронным излучением для получения излучения в среднем инфракрасном диапазоне. Характеристики исследованных в работе материалов вместе с результатами, достигнутыми при их применении в ПГС, дают основания предполагать появление новых материалов аналогичных классов, но с улучшенными характеристиками, которые позволят достигнуть более высоких показателей по мощности и энергии. Кроме того, дальнейшее улучшение энергетических характеристик ПГС возможно также за счет увеличения стойкости оптических поверхностей нелинейных элементов к падающему на них излучению и за счет совершенствования их оптического качества.
Цель работы.
Цель диссертационных исследований состояла в поиске и изучении свойств широкозонных халькогенидных нелинейных кристаллов для однорезонаторных параметрических генераторов с накачкой высокоэнергетическим импульсно-периодическим одномикронным излучением наносекундной длительности и в создании на основе таких кристаллов параметрического генератора указанного
типа, излучающего в диапазоне 5.5-6.5 мкм.
При этом решались следующие основные задачи:
с помощью процессов несинхронной генерации второй гармоники в ромбическом кристалле BaGa4S7 (BGS) с точечной группой симметрии mm2 определить соответствие между осью симметрии второго порядка и кристаллоопти-ческой системой координат;
провести эксперименты по синхронной генерации второй гармоники в кристалле BGS для определения величин и взаимного знака коэффициентов квадратичной восприимчивости di2 и di3 относительно коэффициента сізб тиогалла-та серебра;
экспериментально найти пороги оптической стойкости элементов из кристаллов LiInSe2 (LISe), LiGaS2 (LGS) и BGS на длине волны излучения накачки 1064 нм в режиме наносекундных импульсов с частотой следования 100 Гц;
создать и апробировать однорезонаторные ПГС с двухпроходной накачкой на кристаллах LISe, LGS, BGS и достичь максимально возможных энергетических характеристик при работе в импульсно-периодическом режиме с частотой следования импульсов излучения накачкиЮО Гц и генерацией излучения в диапазоне 5.5-6.5 мкм.
В качестве объектов исследования в работе были выбраны кристаллы LiInSe2, LiGaS2, принадлежащие к группе халькогенидов со структурой типа вюрцита, и новый нелинейно-оптический кристалл BaGa4Sy. Перечисленные соединения кристаллизуются в структуру ромбической сингонии с точечной группой симметрии mm2 и по совокупности своих оптических свойств наиболее оптимальны для параметрических генераторов света среднего ПК диапазона с накачкой импульс-но-периодическим одномикронным лазерным излучением наносекундной длительности.
Научная новизна.
-
Впервые в новом оптически двуосном кристалле BGS с точечной группой симметрии mm2 установлено соответствие между осью симметрии второго порядка и кристаллооптической системой координат. Положение этой оси определено путем регистрации излучения несинхронной генерации второй гармоники в главных плоскостях кристалла. Наряду с ранее установленным соответствием между кристаллооптической и кристаллографической системами координат и измеренной дисперсией показателей преломления [6] (XYZ = cab, обозначения осей X, Y и Z даны в общепринятой установке пх < Щ < nz , где п - показатели преломления, с, а, Ь - периоды идентичности структуры, с < а < Ь , [6] - основные публикации по теме диссертации), это позволило установить в данном кристалле возможные типы трехчастотных нелинейных процессов и указать углы фазового согласования для реализации ПГС среднего ПК диапазона с накачкой одномикронным лазерным излучением.
-
Впервые определены абсолютные значения коэффициентов квадратичной восприимчивости di2 и di3 кристалла BGS и их относительный знак, позволяющие установить энергетически наиболее оптимальное направление в кристалле для реализации ПГС среднего ПК диапазона с накачкой одномикрон-
ным лазерным излучением.
-
Впервые определены пороги лучевой стойкости кристаллов LISe, LGS, BGS и BaGa4Se7 (BGSe) на 1.064 мкм в режиме импульсно-периодического излучения наносекундной длительности, а для кристалла LISe и в режиме непрерывного излучения.
-
Впервые в результате параметрической генерации в кристалле LISe было получено импульсно-периодическое (100 Гц) излучение в области среднего инфракрасного диапазона (5.5-6.5 мкм).
-
Впервые продемонстрирована параметрическая генерация света на кристалле LGS с накачкой высокоэнергетическим импульсно-периодическим (100 Гц) излучением наносекундной длительности. Получена энергия 130 мкДж на 5.5 мкм.
-
Впервые реализован параметрический генератор света на кристалле BGS. При этом на 6.2 мкм получена энергия 0.5 мДж в импульсе, сравнимая с рекордной энергией, достигнутой ранее в [9] на кристалле CdSiP2 (CSP). Средняя мощность излучения составила 50 мВт в окрестности 6.2 мкм и также является рекордной для однокаскадных ПГС с одномикронной накачкой. Основные положения, выносимые на защиту:
-
Ось симметрии второго порядка в двухосном кристалле с точечной группой симметрии mm2 может быть определена при наблюдении несинхронной генерации второй гармоники в главных плоскостях кристалла. При помощи несинхронной ГВГ возможно также определить точечную группу симметрии не-центросиметричного двухосного кристалла.
-
Абсолютные значения коэффициентов квадратичной восприимчивости dn и di3 кристалла BGS имеют значения dn = (5.1 ± 0.3) пм/В и di3 = (5.7 ± 0.3) пм/В на длине волны 2300 нм, а их относительный знак dn /d-із > 0.
-
Пороги лучевой стойкости кристаллов LGS и BGS на 1.064 мкм в режиме импульсно-периодического излучения наносекундной длительности составляют соответственно 3.33 и 3.7 Дж/см .
-
Реализованные параметрические генераторы света среднего ПК диапазона (с накачкой импульсно-периодическим одномикронным лазерным излучением наносекундной длительности) на нелинейных кристаллах LGS и BGS с высоким порогом лучевой стойкости и низкими коэффициентами квадратичной восприимчивости, энергетически не менее эффективны, чем генераторы на кристаллах с низким порогом лучевой стойкости и высокими коэффициентами квадратичной восприимчивости.
Научная и практическая значимость.
Предложен и экспериментально продемонстрирован метод установления соответствия между осью симметрии второго порядка и кристаллооптической системой координат в кристаллах с точечной группой симметрии mm2 путем регистрации излучения несинхронной генерации второй гармоники в главных плоскостях кристалла. Предложен метод определения точечной группы симметрии нецентро-симметричного двухосного кристалла с помощью несинхронной ГВГ.
В ходе диссертационных исследований было показано, что кристаллы LGS и BGS могут быть использованы для создания высокоэнергетических твердотель-
ных источников лазерного излучения среднего инфракрасного диапазона. Эти источники могут строиться как однокаскадные параметрические генераторы света, а в качестве источника накачки в них могут быть выбраны технологически наиболее развитые мощные твердотельные лазерные системы на Nd: YAG.
Личный вклад автора.
Все эксперименты, описанные в диссертации, были проведены автором. Публикации по результатам экспериментов с кристаллами LISe, LGS, BGS и BGSe подготовлены при активном участии автора диссертации.
Апробация работы.
Основные результаты исследований представлены в 11 работах, опубликованных в изданиях, рекомендованных ВАК, а также докладывались и обсуждались на международной конференции по источникам излучения среднего инфракрасного диапазона MICS'2009 (г. Трувиль, Франция, 2009); на международной конференции по безопасности, обороне SPIE Europe Security, Defence (г. Берлин, Германия, 2009); на международном симпозиуме по лазерам и их применению в науке и технике SPIE Photonics West Symposium, LASE 2010 (г. Сан-Франциско, США, 2010), на 14-ой международной конференции по лазерной оптике LO-2010 (г. Санкт-Петербург, Россия, 2010), на международной конференции по когерентной и нелинейной оптике и лазерам ICONO/LAT 2010 (г. Казань, Россия, 2010), на международной конференции по оптическим материалам Advances in Optical Materials (г. Стамбул, Турция, 2011), на международной конференции по лазерам и электрооптике CLEOT1 (г. Балтимор, США, 2011), на европейской конференции по лазерам и электрооптике CLEO Europe 2011 (г. Мюнхен, Германия, 2011), на международной конференции по лазерам и электрооптике CLEO: Science and Innovations (г. Сан-Хосе, США, 2012).
Объем и структура диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, раздела "Заключение", содержит 132 страницы, 21 таблицу, 19 рисунков и библиографический список из 80 наименований.
Автор выражает глубокую благодарность людям, способствовавшим проведению исследований и написанию данной диссертации: В. И. Чижикову, В. Петрову, В. В. Бадикову, Л. И. Исаенко, В. Л. Панютину, Д. Б. Колкеру, В. Н. Веденя-пину и Г. Марчеву.
Образцы кристаллов для исследований были предоставлены Лабораторией роста кристаллов №447 Института геологии и минералогии СО РАН (LiInSe2, LiGaS2), Лабораторией новейших технологий Кубанского государственного университета (BaGa4S7, BaGa4Sey), a CdSiP2 - Институтом нелинейной оптики и коротко-импульсной спектроскопии имени Макса Борна (МВІ, Берлин).
Похожие диссертации на Исследование широкозонных халькогенидных кристаллов для параметрических генераторов света среднего ИК диапазона
