Дисперсия показателей преломления нелинейных кристаллов твердых растворов и параметры, влияющие на эффективность преобразования частоты лазерного излучения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.05, кандидат физико-математических наук Ланский, Григорий Владимирович

• Ланский, Григорий Владимирович
• кандидат физико-математических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Ланский, Григорий Владимирович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. НЕЛИНЕЙНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ: ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ.

1.1. Физические основы процесса генерации второй гармоники.

1.2. Физические основы процесса параметрической генерации света.

1.2.1. Математическая модель ПГС с импульсной накачкой.

1.2.2. Анализ возможности выполнения условий фазового синхронизма.

Выводы по главе 1.

ГЛАВА II. МОДЕЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТРЁХЧАСТОТНЫХ ПРОЦЕССОВ ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЧАСТОТЫ.

2.1. Влияние величины волновой расстройки на эффективность преобразования частот.

2.2. Расчёт допустимых отклонений и вариаций состава нелинейных кристаллов твердых растворов.

2.3. Оценки условий синхронизма и коэффициента качества для процесса генерации второй гармоники в объеме двухосных нелинейных кристаллов.46 >

2.4. Оценки угловой ширины синхронизма для трехчастотных процессов преобразования частоты.

Выводы по главе 2.65 ;

ГЛАВА III. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.

3.1. Линейные и нелинейные свойства кристаллов AgGaS2 и твердого раствора

AgGaGeS4.

3.1.1. Анализ условий фазового синхронизма.

3.1.2. Экспериментальное исследование условий фазового синхронизма.

3.2. Исследование линейных и нелинейных оптических свойств нелинейных кристаллов HgGa^.

3.3. Дисперсионные свойства нелинейных кристаллов твердых растворов LiIn(S1.xSex)2, л=0,1.

3.3.1. Линейные и нелинейные оптические свойства кристаллов LiInS2.

3.3.2. Линейные и нелинейные оптические свойства кристаллов LiInSe2.

3.4. Дисперсия показателей преломления нелинейных кристаллов твердых растворов

Ып(8е,.Д)2.

Выводы по главе 3.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Дисперсия показателей преломления нелинейных кристаллов твердых растворов и параметры, влияющие на эффективность преобразования частоты лазерного излучения»

Актуальность темы Одним из самых перспективных путей решения проблемы создания источников когерентного излучения, работающих в пределах различных участков спектра, является применение методов нелинейной кристаллооптики. Выбор нелинейных кристаллов твердых растворов (НКТР) AgGaGexS2(i+,), LiIn(Si^Sex)2, LiGa(Si-xSex)2 и Hgi^CdxGa2S4 в качестве объектов исследования обусловлен традиционным интересом к нелинейным кристаллам (НК), пригодным для эффективного параметрического преобразования частоты существующих лазеров с высокими энергетическими и эксплуатационными характеристиками, как в средний ИК-диапазон, так и в его пределах. Именно в среднем ИК-диапазоне успешно функционирует большое количество прикладных оптических систем гражданского и специального назначения, возможно создание новых перспективных систем. К их числу можно отнести лидары различного назначения для мониторинга природных и техногенных сред. Общей привлекательной характеристикой исследуемых НКТР является широкий диапазон прозрачности от 0,3-0,6 мкм до 12-15 мкм, позволяющий использовать в качестве источников накачки широко распространенные нано- и пикосекундные Nd:YAG- (Л= 1,064 мкм), фемтосекундные Ti:Sapphire- (Л = 0,7-И,1 мкм), Cr:Forsterite- (Л = 1,25-5-1,32 мкм) лазеры и перекрывать спектром преобразованных частот все основные окна прозрачности атмосферы.

Важной характеристикой рассматриваемых НКТР является положение коротковолновой границы спектра прозрачности в области длин волн 0,35-0,6 мкм, минимизирующее нелинейное двухфотонное поглощение для излучения накачки на длинах волн в области 1 мкм, а значит, и его влияние на эффективность параметрического преобразования частот. Кроме того, НКТР HgiJtCdxGa2S4 претендуют на лидирующее положение в эффективности различных типов параметрического преобразования частоты в пределах среднего ПК-диапазона. Новые технологические успехи в выращивании хорошо известных одноосных НК AgGaS2, т.е. НКТР AgGaGe*S2(i+;c) при х = 0, позволяют пересмотреть их роль в прикладной нелинейной оптике. В свою очередь двухосные НКТР AgGaGeS4 (AgGaGe^i+x) при х = 1) не только расширяют возможности НК AgGaS2 в параметрическом преобразовании частоты наносекундных импульсов, но и наряду с двухосными НКТР LiIn(SixSex)2 и LiGa(SixSex)2 имеют оригинальные возможности в параметрическом преобразовании частоты сверхкоротких (фемтосекундньгх) импульсов излучения с сохранением или даже с компрессией длительности импульсов накачки.

Таким образом, исследуемые НКТР являются или, по крайней мере, могут быть конкурентоспособными по целому ряду применений в качестве параметрических преобразователей частоты (ППЧ) по отношению к широко используемым НК. К числу последних можно отнести высокоэффективные оксидные и полупроводниковые НК CdGeAs2, ZnGeP2, AgGaSe2 и TljAsSe3. Длинноволновая граница спектра прозрачности первых ограничена длинами волн 4—5 мкм, а вторые — непрозрачны или имеют высокие линейные и нелинейные оптические потери на длинах волн Nd :YAG, Ti :Sapphire, Cr:Forsterite и других мощных твердотельных лазеров ближнего ИК-диапазона.

Для адекватного описания процессов ППЧ в НКТР необходимо знать оптические свойства, состав и его вариации, уметь определять длины рабочих элементов и условия работы ППЧ на их основе, при которых достигается максимальная эффективность преобразования частоты. Однако, несмотря на пристальное внимание к модельным и экспериментальным исследованиям оптических свойств НКТР, а также параметров и: характеристик ППЧ на их основе, в научной литературе имеется много расхождений в результатах таких исследований. Исследования, связанные с различными аспектами;, наличия вариаций состава исследуемых НКТР, в научной литературе освещены слабо. Совокупность отмеченных обстоятельств определяет актуальность темы и обусловливает необходимость проведения дальнейших исследований в отмеченных направлениях.

Цель и задачи исследования

Цель работы заключается в изучении оптических свойств НКТР, в определении параметров рабочих элементов и условий работы параметрических преобразователей частоты на их основе, при которых достигается максимальная эффективность преобразования частоты.

Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:

1. Исследование оптических свойств НКТР AgGaGe^i+x) с х = 0 и LiIn(Si-.rSe.r)2, UGa(SuxSzx)2 и HgixCdxGa2S4cx = 0-И.

2. Модельные исследования трехчастотных процессов параметрического преобразования частоты, а именно, условий фазового синхронизма и потенциальных эффективностей преобразователей частоты на основе исследуемых НКТР.

3. Определение длины рабочих элементов, при которых достигается максимальная эффективность параметрического преобразования частот с учетом наличия линейных по длине вариаций состава.

4. Экспериментальное исследование параметрических преобразователей частоты: генераторов гармоник СОг и Er3+:Cr3+:YSGG-Aa3epoB и параметрического генератора света (ПГС) с накачкой излучением NchYAG-лазера.

Методы исследования

Поставленные цели достигались путем использования комплексного подхода -теоретических и экспериментальных методов исследования. При теоретическом исследовании трехчастотных процессов ППЧ основным методом являлось численное моделирование. Наряду с этим для большей физической наглядности в некоторых оправданных случаях использовались аналитические решения и оценочные расчеты. Экспериментальные методы исследования включали в себя измерение спектральных характеристик НК и преобразованного по частоте излучения, а также энергетических, пространственно-временных и пространственно-угловых характеристик последних методами фотоэлектрической, пирометрической и фотографической регистрации. >

На основе теории трехчастотных процессов ППЧ определены, в частности, допустимые отклонения состава НКТР, приводящие к падению эффективности преобразования частот до приемлемого уровня.

Путем аналитического решения определены длины рабочих элементов, при которых достигается первый максимум в эффективности генерации второй гармоники (ГВГ) при наличии линейных по длине вариаций состава.

На основе оценочных расчётов определены спектральные зависимости угловой ширины синхронизма в одноосных НК, условия фазового синхронизма и коэффициент качества во всем объеме двухосных НКТР.

На базе экспериментального исследования условий фазового синхронизма определены, в частности, дисперсионные свойства нелинейных кристаллов тиогаллата ртути как функции положения коротковолновой границы спектра прозрачности.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

Определенная связь между отклонением состава НКТР от ожидаемого значения и эффективностью параметрического преобразования частоты позволяет рассчитать допустимые отклонения состава, при которых обеспечивается сохранение эффективности преобразования частоты на допустимом уровне.

Определенная связь между наличием линейной по длине вариации состава НКТР и эффективностью процесса ГВГ позволяет рассчитать длину, при которой достигается первый максимум в эффективности ГВГ.

Отклонения в стехиометрии одноосных кристаллов HgGa2S4, связанные с увеличением доли HgS, приводят к сдвигу коротковолновой границы спектра прозрачности и изменению дисперсионных свойств.

Аппроксимации дисперсии показателей преломления в виде уравнений Сельмейера с определенными числовыми коэффициентами позволяют рассчитать углы фазового синхронизма для ГВГ в двухосном кристалле LiInSe2 в диапазоне длин волн 9мкм полосы излучения СОг-лазера с погрешностью, не превышающей ± 12'.

Личный вклад соискателя

Диссертация является обобщением работ автора по исследованию оптических свойств НКТР UIn(SiISex)2, LiGa(Si^Sex)2, Hgi-*Cd*Ga2S4 и AgGaGexSap+j), а также; процессов параметрического преобразования частоты в них и различных аспектов использования полученных результатов в действующих макетах преобразователей частоты за период с 2002 по 2007 г. В исследованиях, представленных в диссертации, соискателю принадлежит постановка научных задач, разработка алгоритмов, составление пакета прикладных программ и проведение модельных исследований. Комплексный характер, широкий круг и аппаратурная сложность рассматриваемых и решаемых вопросов предопределила необходимость коллективной работы. Так, ряд экспериментальных исследований проводился на уникальных лабораторных стендах в различных физических научно-образовательных центрах России и Китайской Народной Республики с участием разработчиков лазеров при непосредственном методическом руководстве соискателя. Анализ и интерпретация полученных данных, а также выводы сделаны автором по итогам обсуждений результатов с научным руководителем.

Научная новизна

1. Предложен алгоритм оценки допустимых отклонений состава НКТР от ожидаемого состава, на его основе впервые сформулированы требования к точности контроля состава для использования в ППЧ различных типов. Рассчитаны спектральные области, оконтуренные изолиниями допустимых отклонений состава, в пределах которых падение эффективности параметрического преобразования частоты не превышает приемлемых фиксированных значений. На примере НКТР LiIn(Si*Sex)2 и LiGa(Si-*Sex)2 длиной 1 см показано, что падение эффективности трехчастотных процессов параметрического преобразования частоты, не превышающую 50%, имеет место при отклонении состава на величину, не более десятой доли процента.

2. Предложено соотношение, определяющее длину НКТР, при которой достигается первый максимум в эффективности ГВГ при наличии линейных по длине вариаций состава. Определены условия его использования.

3. Установлено, что вариации в пределах 10%-го содержания исходного, химического компонента HgS в составе НК HgGa2S4, характеризующихся коэффициентом оптических потерь в спектральной области максимальной прозрачности не выше 0,1 см-1, приводят к вариации углов фазового синхронизма для ГВГ СОг-лазеров на величину до 1,5°. Увеличение угла фазового синхронизма для ГВГ линии излучения СОг-лазера на длине волны накачки Л = 9,55 мкм в НК HgGa2S4 с ростом температуры в диапазоне 20 - 300 °С не превышает 12"/1 °С.

4. Определены поверхности фазового синхронизма и коэффициента качества для ГВГ в двухосных НКТР LiIn(Si-xSex)2 и LiGa(Si^Se^2 при х = 0-И. Результаты анализа впервые представлены в виде совмещенных трехмерных диаграмм. Установлено, что значения коэффициента качества для ss-f типов взаимодействия максимальны при углах вне главных плоскостей кристалла, тогда как для fs-f типов взаимодействия оно достигает максимума в плоскости XY кристаллооптической системы координат.

5. Впервые получены аппроксимации дисперсионных зависимостей показателей преломления новых НКТР LiIn(So,5Seo,5)2 в виде уравнений Сельмейера с погрешностью, равной погрешности эксперимента.

Научная ценность полученных результатов заключается в том, что они помогают продвинуться в понимании возможностей НКТР как параметрических преобразователей частоты лазерного излучения.

Практическая значимость проведенных исследований заключается в следующем:

1. Расчетным и экспериментальным путем определены адекватные аппроксимации дисперсии показателей преломления UInS2, LiInSe2, AgGaS2, HgGa2S4 и AgGaGeS4 в виде уравнений Сельмейера из числа известных, которые могут быть рекомендованы для проведения расчетов условий фазового синхронизма, коэффициента качества НКТР и создания ППЧ с улучшенными характеристиками на основе рассматриваемых кристаллов.

2. Определенные длины НКТР, имеющих линейные по длине вариации состава, при которых реализуется первый максимум в эффективности ГВГ, могут быть использованы в качестве исходных данных для подготовки технических заданий на изготовление рабочих элементов из них.

3. Выходные характеристики разработанного ПГС на основе НК AgGaS2, выращенного и просветленного с использованием современных технологий, дают возможность его применения в лидарах-газоанализаторах дифференциального поглощения.

4. Определенные значения вариаций углов фазового синхронизма для ГВГ в AgGaS2 и HgGa2S4 как функций температуры кристалла позволяют использовать их в разработке генераторов второй гармоники.

5. Предложен способ маркировки кристаллов, имеющих отклонения в стехиометрии, по положению края коротковолновой границы спектра прозрачности.

Достоверность результатов, выводов и положений диссертационной работы обеспечивается: воспроизводимостью результатов проведенных модельных и экспериментальных исследований физических свойств НКТР, а также параметров и характеристик параметрических преобразователей частоты на их основе в различных экспериментальных условиях: в ИМКЭС СО РАН, ОСП «СФТИТГУ», Институте лазерной физики СО РАН и Институте физики полупроводников СО РАН, г. Новосибирск, а также в Джилинском университете, г. Чангчунь, Харбинском технологическом университете и Университете науки и технологий, г. Харбин, КНР;

-использованием современных технологий программирования (Microsoft Visual С++, Mathematica 5.0) и методов объектно-ориентированного программирования;

- тестированием с помощью замкнутого численного эксперимента;

- корректностью и взаимопроверяемостью используемых методик, их непротиворечивостью современным представлениям о трёхчастотных процессах параметрического преобразования частоты лазерного излучения в нелинейно-квадратичной среде;

- качественным и количественным согласием результатов этой работы и данными Т. Като (1998 г.) и В.В. Бадикова (2004 г.), полученными независимо; -результатами, полученными в процессе диссертационной работы, в Джилинском университете, г. Чанчунь, и Харбинском технологическом университете, г. Харбин, КНР; в рамках договора о научно-техническом сотрудничестве созданы действующие макеты;* ГВГ и ПГС, а также лидара-газоанализатора дифференциального поглощения на основе перестраиваемого СОг-лазера с ГВГ. ?

Внедрение результатов работы

Результаты диссертационной работы использованы:

1) при выполнении институтских, региональных, государственных и международных научных и научно-технических программ и проектов, ряда госбюджетных тем и в соответствующих отчетах ИМКЭС СО РАН. Среди указанных проектов следует особо отметить проекты СО РАН 28.2.3. «Разработка новых методов, технологий и приборов на основе оптических, радиоволновых и акустических эффектов для контроля природных и техногенных систем, а также для решения специальных задач» и 7.13.1.2. «Развитие методов и технических средств на основе оптических, радиоволновых и акустических эффектов для изучения природных и техногенных систем», Региональный научный грант РФФИ «Научные основы создания лазерного диагностического комплекса»№ 05-02-98005-робь;

2) при выполнении институтских программ в ОСП «СФТИ ТГУ».

Внедрение и использование результатов диссертационной работы подтверждается двумя актами, представленными в приложении I и И.

Связь работы с научными программами и темами

Работа выполнена в рамках приоритетных направлений развития науки, технологий и техники Российской Федерации «Основы политики Российской Федерации в области развития науки и технологий на период до 2010 года и дальнейшую перспективу. Экология и рациональное природопользование» (Приказ Президента Пр-577 от 30 марта 2002 г.) и перечня критических технологий «Перечень критических технологий Российской Федерации. Мониторинг окружающей среды» (Приказ Президента Пр-578 от 30 марта 2002 г.), а также в рамках ориентированных на них фундаментальных исследований РАН.

Тема диссертации соответствует приоритетному направлению СО РАН «28. Экология и рациональное природопользование. Мониторинг окружающей среды» на 2004-2006 гг., программа 28.2. «Научное, методическое, приборное и аналитическое обеспечение мониторинга окружающей среды для экологических и специальных задач», проект 28.2.3. «Разработка новых методов, технологий и приборов на основе оптических, радиоволновых и акустических эффектов для контроля природных и техногенных систем, а также для решения специальных задач» (per. № 01200408133), а также приоритетному направлению СО РАН на 2007-2009 гг. 7.13. «Разработка методов, технологий, технических и аналитических средств исследования поверхности и недр Земли, гидросферы и атмосферы. Геоинформатика», . программа 7.13.1. «Фундаментальные основы приборостроения для наук о Земле и решения специальных задач», проект 7.13.1.2. «Развитие методов и технических средств на основе оптических, радиоволновых и акустических эффектов для изучения природных и техногенных систем» (утверждено Постановлением Президиума СО РАН № 40 от 12.02.2007).

Работа выполнялась в рамках приоритетных направлений развития науки, технологий и техники Российской Федерации «Основы политики Российской Федерации в области развития науки и технологий на период до 2010 года и дальнейшую перспективу. Экология и рациональное природопользование» (Приказ Президента Пр-577 от 30 марта 2002 г.) и перечня критических технологий «Перечень критических технологий Российской Федерации. Мониторинг окружающей среды» (Приказ Президента Пр-578 от 30 марта 2002 г.), а также ориентированных на них фундаментальных исследований РАН: проект 28.2.3. «Разработка новых методов, технологий и приборов на основе оптических, радиоволновых и акустических эффектов для контроля природных и техногенных систем, а также для решения специальных задач» (per. № 01200408133), проект 7.13.1.2. «Развитие методов и технических средств на основе оптических, радиоволновых и акустических эффектов для изучения природных и техногенных систем» (утверждено Постановлением Президиума СО РАН № 40 от 12.02.2007). Работа поддержана региональным научным грантом РФФИ «Обь» «Научные основы создания лазерного диагностического комплекса» № 05-02-98005-робь. Результаты проделанной работы в части моделирования эффективности преобразования частот в нелинейных кристаллах твердых растворов LiIn(Si-xSex)2 и LiGa(SixSex)2 включены в отчет СО РАН: «Сибирское отделение Российской академии наук в 2005 году. Том I. Основные научные результаты. Часть 1. Приоритетные направления и программы фундаментальных исследований. Программа 28.2. Научное, методическое, приборное и аналитическое обеспечение мониторинга окружающей среды для экологических и специальных задач» (Изд-во СО РАН, Новосибирск, 2005. С. 204-205). Автор данной работы является также победителем конкурса молодых ученых СО РАН 2006 г. с выделением гранта «Широкодиапазонное преобразование частоты лазерного излучения в пределах видимого - среднего ИК-диапазона спектра на основе нелинейных кристаллов» на 2007-2009 гг. (Приложение к постановлению Президиума СО РАН от 21Л2.2006 г. № 465).

Апробация работы

Материалы диссертационной работы представлялись, докладывались и обсуждались на международных, всероссийских и региональных конференциях: VIII Международной школе-семинаре «Эволюция дефектных структур в конденсированных средах», Барнаул, 2005; на VII Российско-Китайском симпозиуме по лазерной физике и лазерным технологиям, Томск, ТГУ, 2004 г.; на X и XI Международных симпозиумах «Оптика атмосферы и океана», Томск, 2003 и 2004 гг. соответственно; на VI и VII Международных конференциях «Импульсные лазеры на переходах атомов и молекул», Томск, 2003 и 2005 гг. соответственно; на IV школе-семинаре молодых ученых «Современные проблемы физики, технологии и инновационного развития», Томск, СФТИ, 2003 г.; на IX Международной научно-практической конференции «Современные техника и технологии», Томск, ТПУ, 2003 г.; на IX Международной школе-семинаре по люминесценции и лазерной физике, Иркутск, 2004; на Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (ICONO/LAT

2005), Санкт-Петербург, 2005 г.; на VI Сибирском совещании по климато-эколошческому мониторингу, Томск, 2005 г.; на III Asian Conference on Crystal Growth and Crystal Technology, Beijing, 2005 г.; на V Международном симпозиуме «Контроль и реабилитация окружающей среды», Томск, 2006 г.; на XIII Международном объединенном симпозиуме «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы», Томск, 2006 г.; на IV Международном симпозиуме по оптическим материалам (ISLNOM-4) Прага, Чехия, 2006 г.; на VI Азиатско-тихоокеанской конференции «Фундаментальные проблемы опто- и микроэлектроники» (АРСОМ'2006)», Харбин, КНР, 2006 г.

Публикации

По теме диссертационной работы опубликовано 49 работ, из них 14 статей в периодической рецензируемой печати, а также 29 тезисов докладов и 6 статей в сборниках трудов научных конференций.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, библиографического, списка и приложений, подтверждающих внедрение и практическое использование результатов диссертационной работы. Работа изложена на 132 страницах, включает 19 таблиц, 39 рисунков и список библиографических источников из 96 наименований. >

Заключение диссертации по теме «Оптика», Ланский, Григорий Владимирович

Основные результаты исследований заключаются в следующем.

1. Экспериментально определены химический состав исследуемых образцов НКТР и его вариации. На основе анализа установлены химические формулы, определяющие реальный химический состав исследованных образцов НК.

2. На основе изучения условий фазового синхронизма разработан алгоритм для определения допустимых отклонений состава НКТР от ожидаемого значения. Определен алгоритм для расчета длины рабочих элементов из НКТР, при которых достигается первый максимум в эффективности ГВГ при наличии вариаций состава в объеме НК. Его использование продемонстрировано применительно к НКТР с наличием линейных по длине вариаций химического состава. Показано, что падение эффективности трехчастотных процессов преобразования частоты на величину, не превышающую 50% во всем диапазоне синхронизма, имеет место при отклонении состава от ожидаемого значения на величину в пределах единиц тысячных долей. Результаты расчётов допустимых отклонений и вариаций состава НКТР пригодны для формулировки технических заданий на выращивание НКТР и изготовление рабочих элементов из них.

3. Проведен комплексный анализ дисперсионных свойств показателей преломления НКТР AgGaGexS2(i+x), LiIn(Si-*Sex)2, LiGa(Si-xSex)2 и HgixCdxGa2S4 с использованием расчетных и экспериментальных данных, полученных автором, а также известных ранее данных. На основе этого анализа установлены выражения вида уравнений Сельмейера, адекватно определяющие их дисперсионные свойства.

4. На основе результатов численного моделирования на примере НК LiInS2 установлено, что основной причиной большого, до 10°, расхождения результатов расчетов углов фазового синхронизма с использованием различных известных аппроксимаций дисперсии показателей преломления в виде уравнений Сельмейера являются различия в погрешности аппроксимаций.

5. В результате проведенных экспериментальных исследований определены спектры прозрачности НКТР HgGa2S4, и установлена взаимосвязь между отклонением состава от стехиометрического, положением коротковолновой границы спектров прозрачности и дисперсией показателей преломления.

6. Путем проведения численных расчетов исследованы особенности условий фазового синхронизма и определены значения коэффициента качества для процесса ГВГ в диапазоне углов 0 < (9, ф) < 90° двухосных НКТР LiGa^i-jSe*^ и LiGa(SiJt:Sex)2npH х = 0-И. Результаты расчетов представлены в графическом виде на совмещенных трехмерных диаграммах.

7. На основе кристалла AgGaS2 с накачкой Nd:YAG лазером создан паносекундный ПГС I типа (е-оо) с выходными и эксплуатационными характеристиками, позволяющими применить его в устройствах прикладной оптики.

На основании приведенных результатов можно констатировать, что развиваемое направление исследования физических свойств известных и поиска новых нелинейных кристаллов твердых растворов с априорно заданными физическими свойствами, а также разработка и исследование параметров и характеристик параметрических преобразователей частоты лазерного излучения на их основе оправдали себя на данном этапе исследований и являются перспективными направлениями в нелинейной кристаллооптике.

БЛАГОДАРНОСТИ

Считаю необходимым выразить искреннюю благодарность своему научному руководителю Юрию Михайловичу Андрееву, опыт и поддержка которого помогли выполнить все поставленные задачи.

Выражаю благодарность за постоянное внимание к проводимой работе Тихомирову Александру Алексеевичу, а также коллективу лаборатории экологического приборостроения ИМКЭС СО РАН, Копыловой Татьяне Николаевне, Пойзнеру Борису Николаевичу за многочисленные обсуждения результатов работы.

Выражаю признательность своим коллегам по работе - Атучину Виктору Валерьевичу, Саркисову Сергею Юрьевичу, Шайдуко Анне Валерьевне, Хуангу Джин-Же за помощь, полезные обсуждения и советы в процессе работы над диссертацией.

Считаю своим долгом поблагодарить Рен-Де Минга из Харбинского технологического института и Джин-Ю Гао из Джилинского университета за предоставленную возможность проведения экспериментальных исследований на современных установках, а также всех сотрудников принимавших участие в работе.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе выполнены комплексные теоретические и экспериментальные исследования оптических свойств НКТР AgGaGexS2(i+x) с * = 0 и 1, LiIn(StxSeI)2, LiGa(Si-*Sex)2 с х = 0-И и HgGa2S4, а также параметров, влияющих на эффективность преобразования частоты лазерного излучения на их основе.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Ланский, Григорий Владимирович, 2007 год

1. ЦерникеФ., Мидвиптер Дж. Прикладная нелинейная оптика. М.:Мир, 1976. -261 с.

2. Дмитриев В.Г., Тарасов Л.В. Прикладная нелинейная оптика. 2-е изд., перераб. И доп. - М.: Физматлит, 2004. - 512 с. - ISBN 5-9221-0453-5.

3. GiordmaineJ.A. Mixing of light beams in crystals// Phys.Rev.Lett. 1962. V. 8, № 1. P. 1920.

4. Maker P.D., Terhune R.W., NicenoffM., Savage C.M. Effects of dispersion and focusing on the production of optical harmonics// Phys.Rev.Lett. 1962. V. 8, № 1. P. 21-22.

5. H.J. Liu, G.F. Chen, W. Zhao, Y.S. Wang, T. Wang, S.H. Zhao Phase matching analysis of noncollinear optical parametric process in nonlinear anisotropic crystals // Optics Communications. 2001. V. 197. P. 507-514.

6. Гречин С.Г., Гречин C.C., Дмитриев В.Г. Полная классификация типов взаимодействия при генерации второй гармоники в двухосных нелинейных кристаллах// Квант, электрон. 2000. Т. 30, № 5. С. 377-385.

7. Bhar G.C. Refractive index interpolation in phase-matching// Applied Optics. 1976. V. 15, №2. P. 305-307.8. . Yao J., Fahlen T.S. Calculations of optimum phase match parameters for the biaxial crystal КТЮРО4// J. Appl. Phys. 1984. V. 55, № 1. P. 65-68.

8. Ахманов C.A., Хохлов P.B. Об одной возможности усиления световых волн// ЖЭТФ. 1962. Т. 43, С. 351.

9. Справочник по лазерам. В 2-х томах. T.II: Под ред. Прохорова А.М. М.: Сов. Радио, 1978.-400 с.

10. И. Eckardt R.C., FanY.X., ByerR.L., Marquardt C.L., Storm M.E., EsterowitzL. Broadly tunable infrared parametric oscillator using AgGaS2// Applied Physics Letters. 1986. V. 49. P. 608-610.

11. Knights M.G., Budni P.A., Schunemann P.G., Pollak T.M., Chicklis E.P. Multi-watt mid-ir optical parametric oscillator using ZnGeP2 // Ninth Topical Meeting on Advanced Solid State Lasers, Salt Lake City, Utah, US, Feb. 7-10,1994, Tech.Degest. P. 259.

12. Schunemann P.G., Pollak T.M. Phase-matched growth of ZnGeP2 mid-ir OPO crystals // Ninth Topical Meeting on Advanced Solid State Lasers, Salt Lake City, Utah, US, Feb. 7-10, 1994, Tech.Degest P. 277.

13. Vodopyanov K.L., ChazapisV. Extra-wide tuning range optical parametric generator// Optics Communications. 1997. V. 135. P. 98-102.

14. PetrovV., BadikovV., PanyutinV., Shevyrdyaeva G., SheinaS., RotermundF. Mid-IR optical parametric amplification with femtosecond pumping near 800 nm using Cd^Hgi-^GaaSV/ Opt. Com. 2004. V. 235. P. 219-226.

15. Huang J.-J., Ren D.M., Ни X.Y., Qu Y.C., Andreev Yu., Geiko P., Badikov V., Lanskii G. Nonlinear optical properties of mixed Cdo.3sHgo.65Ga2S4 crystal// Acta Physica Sinica. 2004. V. 53, № п.-p. 3761-3765.

16. Андреев Ю.М., B.B. Вадиков, ГейкоП.П., ГречинС.Г., Ефимеико B.B., Ефименко Т.Д., Панютии В.Л., Тихомиров А.А., Шайдуко А.В. Генерация второй гармоники ТЕА-СОг-лазера в LiInSe2// Оптика атмосферы и океана. 2004. Т. 17, №2-3. С. 133-139.

17. Dmitriev V.G., Gurzadyan G.G., Nikogosyan D.N. Handbook on Nonlinear Optical Crystals. Springer series in optical sciences. V. 64. Springer. 1999.413 p.

18. Schunemann P.G., Setzler S.D., Pollak T.M. Phase-matched crystal growth of AgGaSe2 and AgGai-JnxSe2//Journal of Crystal Growth. 2000. V. 211. P. 257-264.

19. Такаока Е., KatoK. 11 In Dig. Tech. Papers CLEO'99, paper CWF57, P. 287 (Optical Society of America, Washington, D.C., 1999).

20. Andreev Yu.M., Atuchin V.V., Lanskii G.V., Pervukhina N.V., Popov V.V., Trocenco N.C. Linear optical properties of LiIn(Si.ISex)2 crystals and tuning of phase matching conditions// Solid State Sciences. 2005. V. 7. P. 1188-1193.

21. Huang J.-J., Andreev Yu.M., Lanskii G.V., Shaiduko A.V., Das S., Chatterjee U. Acceptable composition-ratio variations of a mixed crystal for nonlinear device applications// Appl. Optics. 2005. V. 44, № 35. P. 7644-7650.

22. Huang J.-J., Atuchin V.V., Andreev Yu.M., Lanskii G.V., Pervukhina N.V. Potentials of LiGa(Si.xSex)2 mixed crystals for optical frequency conversion// J.Cryst.Growth. 2006. V. 292. P. 500-504.

23. PetrovV., YelisseevA., IsaenkoL, LobanovS., TitovA., ZondyJ.-J. Second harmonic generation and optical parametric amplification in the mid-IR with orthorhombic biaxial crystals// Appl. Phys. B. 2004. V. 78. P. 543-546.

24. TakaokaE., KatoK. 90° phase-matched third-harmonic generation of CO2 laser frequencies in AgGai-Jn^// Optics Letters. 1999. V. 24, № 13. P. 902-904.

25. Хуанг Дж.Ж., Андреев Ю.М., Ланский Г.В. Алгоритм для оценки допустимых вариаций отношения смешения твёрдых растворов нелинейных кристаллов// Оптика атмосферы и океана. 2006. Т. 19, № 2-3. С. 185-189.

26. KangF., KaiW., QingM. Nonlinear optics// Jiang Su Science and Technology Press. 1988. P. 80-81.

27. AndreevYu.M., GeikoLG., GeikoP.P., GrechinS.G. Optical properties of a nonlinear LiInS2 crystal// Quantum Electronics. 2001. V. 31, № 7. P. 647-648.

28. Roberts D.A. Simplified characterization of uniaxial and biaxial nonlinear crystals: a plea for standardization of nomenclature and conventions// IEEE J. Of Quant. Electron. 1992. V. 28, № 10. P. 2057-2074.

29. Badikov V.V., Chizhikov V.I., EfimenkoV.V., EfimenkoT.D., Panyutin V.L., Shevyrdyaeva G.S., Scherbakov S.I. Optical properties of lithium indium selenide// Optical Mater. 2003. V. 23. P. 575-581.

30. PetrovV., Yelisseyev A., IsaenkoL., LobanovS., TitovA., ZondyJ.J. Second harmonic generation and optical parametric amplification in the mid-IR with orthorhombic biaxial crystals LiGaS2 and LiGaSe2// App.Phys.B. 2004. V. 78. P. 543-546.

31. Boyd G.D., Kasper H.M., McFee J.H. Linear and nonlinear optical properties of LiInS2// J. Appl. Phys. 1973. V. 44, № 6. P. 2809-2812.

32. Ebbers Ch. Summery of known nonlinear properties of LiInS2// Preprint UCRL-ID-116744, Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), Livermore, USA, 24.02.1994,8 p.

33. Isaenko L., Yelisseev A. New non-linear crystals for a broad spectral region// Chem. Sust. Develop. 2000. V. 8. P. 213-217.

34. Knippels G.M.H., A.F.G. van der Meer, MacLeod A.M., Yelisseyev A.,., Isaenko L., Lobanov S., Thenot I., Zondy L.-L. Mid-infrared (2.75 6.0-fim) second-harmonic generation in IiInS2// Opt Lett. 2001. V. 26, № 9. P. 617-619.

35. Isaenko L., Lobanov S., Zondy L.-L., Payne S. Nonlinear and laser crystals for mid-IR region// OSA Trends Opt. Phot. Ser. 2000. V .34. P. 561-562.

36. IsaenkoL., Yelisseyev A., LobanovS., PetrovV., RotermundF., Zondy J.-J., Knippels G.H.M. LiInS2: a new nonlinear crystal for the mid-IR// Materials Science and Semiconductor Processing. 2001. V. 4, № 6. P. 665-668.

37. Rotermund F., Petrov V., Noak F., Isaenko L., Eliseev A., Lobanov S. Optical parametric generation of femtosecond pulses up to 9 Jim with LiInS2 pumped at 800 nm// Appl. Phys. Letters, 2001. V. 78, № 18. P. 2623-2625.

38. Bhar G.C., Gosh G.C. Temperature dependent phase-matched nonlinear optical devices using GdSe and ZnGaP2// IEEE J. Quantum. Electron. 1980. V. QE-16, № 3. P. 838-843.

39. Ланский Г.В. Алгоритмы оценок угловой ширины фазового синхронизма// Оптика атмосферы и океана. 2006. Т.19, № 2-3. С. 182-184.

40. Андреев Ю.М., Воеводин В.Г., Грибенюков А.И., Зырянов О.Я., Ипполитов И.И., Морозов А.Н., СоснинА.В. Эффективная генерация второй гармоники излучения перестраиваемого СО2 лазера в ZnGeP2/7 Квантовая электроника. 1984. Т. 11, №8, С. 1511-1512.

41. Гейко П.П. Преобразование частоты лазеров ИК диапазона в тройных и смешанных нелинейных кристаллах// Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук. Томск. 2004.

42. Андреев Ю.М., Гейко П.П. О возможности создания лазерного источника диапазона 0,2-12,0 мкм// Оптика атмосферы и океана. 2002. Т. 15, № 7. С. 616-622.

43. BeaslyJ.D. Thermal conductivity of some novel nonlinear optical materials// Appl. Optics. 1994. V. 3, № 6. P. 1000-1003.

44. Andreev Yu.M., Badikov V.V., Voevodin V.G., Geiko L.G., Geiko P.P., Ivaschenko M.V., Karapuzikov A.I., Sherstov I.V. Radiation resistance of nonlinear crystals at a wavelength of 9.55 цт// Quantum Electronics. 2001. V. 31, № 12. P. 1075-1078.

45. Douillet A., ZondyJ.J., Yeliseev A., LobanovS., Isaenko L. Stability and frequency turning of thermally loaded optical parametric oscillators//JOSA B. 1999. V. 16, № 9. P. 1481-1498.

46. Vodopyanov K.L., MaffetoneJ.P., Zwieback I., RudermanW. AgGaS2 optical parametric oscillator continuously tunable from 3.9 to 11.3 Jim// Applied Physics Letters. 1999. V. 75, № 9. P.1204-1206.

47. Elsaesser Т., Seilmeier A., Kaiser W., Koidl P., Brandt G. Parametric generation of tunable picosecond pulses in the medium infrared using AgGaS2 crystals// Appl. Phys. Lett. 1984. V. 44, №4. P. 383-385.

48. Haidar S., Niwa E., Masumoto K., Ito H. Temperature tuning of 5 to 12 цт by difference frequency mixing of OPO outputs in a AgGaS2 crystal// J. Phys. D: Appl. Phys. 2003. V. 36. P. 1071-1074.

49. Fan Y.X., Eckard R.C., Byer R.L., Route R.K., Feigelson R.S. AgGaS2 infrared parametric oscillator// Appl. Phys. Lett. 1984. V. 45, № 4. P. 313-315.

50. Boon P.P., FenW.R, ChongC.T., XiX.B. Nanosecond AgGaS2 optical parametric oscillator with more than 4 micron output// Jpn. J. Appl. Phys. 1997. V. 36, № 12B. P. L1661-L1664.

51. Roberts D.A. Dispersion equations for nonlinear optical crystals: KDP, AgGaSe2, and AgGaS2// Appl. Opt 1996. V. 35, № 24. P. 4677-4688.

52. HarasakiA., KatoK. New data on the nonlinear optical constant, phase-matching and optical damage of AgGaS2//Jpn. J. Appl. Phys. 1997. V. 36, № 2. P. 700-703.

53. ChbaniN., Loircau-Lozac'h A., Rivet J., DugueJ. Systeme pseudo-ternaire Ag2S-Ga2S3-GeS2: Diagramme de phases-Domaine vitreux// Journal of Solid State Chemistry. 1995. V. 117. P. 189-200.

54. Ren D., HuangJ., Qu Y., Ни X., Andreev Yu., Geiko P., Badikov V., Shaiduko A. Optical properties and frequency conversion with AgGaGeS4 crystal// Chinese Physics. 2004. V. 13, № 9. P. 1469-1473.

55. PetrovV., Badikov V., Shevyrdyaeva G., PanyutinV., ChbhikovV. Phase-matching properties and optical parametric amplification in single crystals of AgGaGeS4// Optical Mater. 2004. V. 26. P. 217-222.

56. Kabanov M.V., Andreev Yu.M., Badikov V.V., Geiko P.P. Parametric frequency converters with new nonlinear crystals// Russian Physics Journal. 2003. V. 46, № 8. P. 835-846.

57. Chemla D.S., Kupecek P.J., Robertson D.S., Smith R.C. Silver thiogallate, a new material with potential for infrared devices// Optics Communications. 1971. V. 3, № 1. P. 29-31.

58. Bhar G., Smith R.C. Silver thiogallate (AgGaS2) Part II: Linear Optical Properties// IEEE Journal of Quantum Electronics. 1974. QE-10, № 7. P. 546-550.

59. Badikov V., Shevyrdyaeva G., Chkhikov V., Panyutin V., Xu G., Petrov V., Noack F. Phase-matched second-harmonic generation at 1064 nm in quaternary crystals of silver thiogermanogallate// Applied Physics Letters 2005. V. 87. Paper 241113. P. 1-3.

60. B.B. Вадиков, А.Г. Тюлюпа, Г.С. Шевырдяева, С.Г. Шеина. Твердые растворы в системах AgGaS2 GeS2, AgGaSe2 - GeSe2// Неорганические материалы, 1991, Т. 27, № 2, С. 248-252.

61. Kato 1С, ShirahataH. Nonlinear IR generations in AgGaS2// Jap. J. Appl. Phys. 1996. V. 35, № 9A. P. 4645-4648.

62. DasS., Ghosh Ch., Gangopadhyay S., Andreev Yu.M., Badikov V.V. AgGaGeS4 crystals for nonlinear laser device applications// Jap. J. AppL Phys. 2006. V. 45, № 7. P. 5795-5797.

63. Bhar G.C., Das S., Ghosh D.K., Samanta L.K. Phasematching of infrared nonlinear laser devices using AgGaS2// IEEE Journal of Quantum Electronics. 1988. V. 24, № 8. P. 1492-1494.

64. HaidarS., ItoH. Injection-seeded optical parametric oscillator for efficient difference frequency generation in mid-IR //Optics Communications. 1999. V. 171. P. 171-176.

65. Wang T.-J., Kang Z.-H., Zhang H.-Z., He Q.-Y., Qu Y., Feng Z.-S., Jiang Y., Gao J.-Y., Andreev Yu.M., Lanskii G.V, Wide-tunable, high-energy AgGaS2 optical parametric oscillator// Optics Express. 2006. V. 14, № 26. P. 13001-13006.

66. Wang T.-J., Gao J.-Y., He Q.-Y., Ma Т., Jiang Y., Kang Z.-H. Analysis of the dynamics of a mechanical Q-switched CO2 laser six-temperature model// Journal of Applied Physics. 2005. V. 98. P. 073102.

67. Wang T.-J., He Q.-Y., Gao J.-Y., KangZ.-H., Jiang Y., SunH. Comparison of electrooptically Q-switched EnCnYSGG lasers by two polarizers: Glan-Taylor prism and Brewster angle structure// Laser Phys. Lett. 2006. V. 3, № 7. P. 349-352.

68. Саркисов С.Ю., Андреев Ю.М., Атучин B.B., Воеводина О.В., Ланский Г.В., Морозов А.Н. Физические свойства и применение легированных и нелегированных кристаллов GaSe// Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2005. Т. 2, № 2. С. 56-58.

69. Andreev Yu.M., AtuchinV.V., Lanskii G.V., MorozovA.N., Pokrovsky L.D., Sarkisov S.Yu., Voevodina O.V. Growth, real structure and applications of GaSei-^S* crystals// Materials Science and Engineering B. 2006. V. 128, № 1-3. P. 205-210.

70. RotermundF., PetrovV., NoackF. Difference-frequency generation of intense femtosecond pulses in the mid-IR (4-12 pm) using HgGa2S4 and AgGaS2// Opt Com. 2000. V. 185. P. 177-183.

71. Ren D., Huang J., Qu Y., Ни X, Zhang L., Andreev Yu., Geiko P., Badikov V., Lanskii G., Tokhomirov A. Optical properties and CO2 laser SHG with HgGa2S4// Chinese OptLet. 2003. V. 1, № 10. P. 613-615.

72. Takaoka E., Kato K. Tunable IR generation in HgGa2S4 //in Proceedings of Conference on Lasers and Electrv-Optic (CLEO), (1998), pp. 253-254.

73. Badikov V.V., Matveev I.N., Panyutin V.L., Pshenichikov S.M., Repyakhova T.M., Rychik O.V., Rozenson A.E., Trosenko N.K, Ustinov N.D. Growth and Optical Properties of Mercury Thiogallate// Sov. J. Quan. Electron. 1979. V. 9, № 8. P. 1068-1070.

74. Badikov V.V., Matveev I.N., Pshenichnikov V.L., Rychik O.V., Trotsenko N.K., Ustinov N.D., Sherbakov S.I. Growth and nonlinear properties of HgGa2S4// Sov. J. Quan. Electron. 1980. V. 10, № 10. P. 1300-1301.

75. DasS., Chatterjee U., GoshC., Gangopadhyay S., Andreev Yu.M., Lanskii G.V., Badikov V.V. Corrigendum to "Tunable middle infrared radiation with HgGaS4 crystal" OptCommun. 259(2) 868-872 (2006).// Optics Communications. 2006. V. 263. P. 352.

76. Badikov V.V., Don A.K., Mitin 1С.V., SereginA.M., Cinaiskii V.V., Schebetova N.I. A HgGa2S4 optical parametric oscillator// Quan. Electron. 2003. V. 33. P. 831-832.

77. Комаров C.A., Мелешко A.H., Плешанов C.A., Соломатин B.C. Эффективное преобразование излучения СОг лазера в нелинейном кристалле HgGa2S4// Письма в ЖТФ. 1980. Т. 6, № 14. С. 870-873.

78. DasS., Chatterjii U., Ghosh С., Gaugopadhyay S., Andreev Yu.M., LanskiiG.V., Badikov V.V. Tunable middle infrared radiation with HgGa2S4 crystal// Opt Com. 2006. V. 259. P. 868-872.

79. IsaenkoL., Yelisseyev A., LobanovS., PetrovV., RotermundF., SlekysG., Zondy J.-J. LiInSe2: A biaxial ternary chalcogenide crystal for nonlinear optical applications in the midinfrared// Journal of Applied Physics. 2002. V. 91, № 12. P. 9475-9480.

80. Isaenko L., Vasilyeva I., Yelisseyev A., Lobanov S., Malakhov V., Dovlitova L., Zondy J.-J., Kavun I. Growth and characterization of LiInS2 single crystals// Journal of Crystal Growth. 2000. V. 218. P. 313-322.

81. AtuchinV.V., AndreevYu.M., LanskiiG.V., ShaidukoA.V. Sellmeier equations for LiInS2 and LiInSe2// Proc. SPIE. ICONO 2005: Nonlinear Optical Phenomena. 2006. V. 6259. P. 325-332.

82. ХуангДж.Ж., Андреев Ю.М., АтучинВ.В., АанскийГ.В., ШайдукоА.В. Дисперсионные свойства нелинейных кристаллов LiInS2, LiInS2 и LiIn(Seo.5So.5)2// Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2005. Т. 2, № 1. С. 21-23.

83. KatoK., TakaokaE., UmemuraN., ChonanT. Temperature-tuned type-2 90° phase-matched SHG of C02 laser radiation at 9.2714-10.5910 цт in CdGe(Asi-^)2 // in Proceedings of Conference on Lasers and Electro-Optic (CLEO). 2000. paper CThE7. P. 295.