Исследование широкозонных халькогенидных кристаллов для параметрических генераторов света среднего ИК диапазона тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.05, кандидат физико-математических наук Тяжев, Алексей Владимирович

• Тяжев, Алексей Владимирович
• кандидат физико-математических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Тяжев, Алексей Владимирович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ИСТОЧНИКИ КОГЕРЕНТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И НЕЛИНЕЙНЫЕ КРИСТАЛЛЫ В СРЕДНЕМ ИК ДИАПАЗОНЕ СПЕКТРА

1.1. Твердотельные источники лазерного излучения в среднем инфракрасном диапазоне.

1.2. Оптические нелинейные кристаллы для среднего инфракрасного диапазона.

ГЛАВА 2. ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ НЕЛИНЕЙНОЙ ОПТИКИ И ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ ГЕНЕРАЦИИ СВЕТА

2.1. Модель ангармонического осциллятора.

2.2. Тензор оптической восприимчивости среды.

2.3. Эффективные нелинейные коэффициенты.

2.4. Параметрический генератор света.

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ LISe, LGS, BGS

3.1. Определение оси симметрии второго порядка в кристалле с точечной группой симметрии mm2.

3.2. Установление соответствия оси симметрии второго порядка и кристаллооптической системы координат в кристалле BGS.

3.3. Определение точечной группы симметрии двухосного кристалла при помощи несинхронной ГВГ.

3.4. Эффективность ГВГ в кристалле BGS.

3.5. Расчет нелинейных коэффициентов и результаты.

3.6. Пороги лучевой стойкости кристаллов в режиме наносекундных импульсов (14 не).

3.7. Пороги лучевой стойкости кристаллов в режиме наносекундных импульсов (1 не).

3.8. Порог лучевой стойкости кристалла LISe в непрерывном режиме.

3.9. Порог лучевой стойкости кристалла CdSiP2 и сравнение эффективностей преобразования в различных кристаллах.

3.10 Измерение коэффициентов отражения поверхностей кристалла и эффективного коэффициента его остаточных потерь.

ГЛАВА 4. ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ ГЕНЕРАЦИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ СРЕДНЕГО ИНФРАКРАСНОГО ДИАПАЗОНА

4.1. Кристалл LISe из группы литиевых халькогенидов.

4.2. Параметрический генератор света на кристалле LISe с накачкой 14-наносекундными импульсами на частоте следования 100 Гц.

4.3. Широкозонный кристалл LGS.

4.4. Параметрическая генерация света в кристалле LGS с накачкой 8-нс импульсами.

4.5. Новый нелинейно-оптический материал для среднего

ИК диапазона BGS.

4.6. Параметрическая генерация в кристалле BGS.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование широкозонных халькогенидных кристаллов для параметрических генераторов света среднего ИК диапазона»

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. Технологии в процессе своего развития, приближаясь к конечному пользователю, предъявляют все более жесткие требования к источникам излучения, которые могут быть использованы вне лабораторий для решения поставленных задач.

Большая востребованность источников когерентного излучения в средней инфракрасной области спектра является следствием двух особенностей: 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, лазерная локация, линейная и нелинейная спектроскопия, обнаружение следов газов и паров, ма-лоинвазивные хирургия и диагностика в медицине, прецизионные измерения частоты, системы инфракрасного направленного противодействия, атмосферные оптические линии связи. При этом в различных областях применения к излучению предъявляются разные требования: узость спектральной линии излучения, требуемое качество пучка и его минимальная расходимость, высокая средняя мощность, высокая энергетика и необходимая частота следования импульсов и др.

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 РЖ 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. При этом имеет место закономерность, в соответствии с которой, чем дальше в инфракрасную область сдвинута длинноволновая граница спектра пропускания, тем уже становится запрещенная зона материала, а значит, для интенсивной накачки такого материала необходим источник с длинноволновым излучением во избежание эффектов двухфотонного поглощения.

В качестве источников излучения накачки для параметрических генераторов целесообразно использование лазерных систем на Кс13+, излучающих вблизи 1 мкм. Эти системы являются технологически наиболее разработанными твердотельными 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 Тл-сапфировых системах, излучающих в окрестности 800 нм. При этом к настоящему времени значительное развитие получили двухкаскадные параметрические генераторы, позволяющие обойти проблемы двухфотонного поглощения. В первом каскаде таких ПГС излучение от лазера на Nd3+ 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, в котором 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.

В работе продемонстрирован ПГС на кристалле riInSe2 (USe) с частотой следования импульсов накачки 100 Гц. На разных образцах была реализована перестройка в областях 4.7-7.5 мкм и 5.5-8.7 мкм.

Получена генерация в ПГС на кристалле LiGaS2 (LGS) с накачкой в нано-секундном режиме на частоте следования импульсов 100 Гц. При длине образца 8 мм, апертуре 5x7 мм и эффективной нелинейности ~5.5 пм/В максимальная энергия выходного излучения на 5.5 мкм составила более 130 мкДж.

Исследованы свойства нового нелинейно-оптического материала для среднего инфракрасного диапазона BaGa4S7 (BGS), продемонстрирован ПГС с наносекундной импульсно-периодической накачкой на частоте следования 100 Гц. Благодаря высокой лучевой стойкости этого материала стало возможным достичь таких же уровней выходной энергии, которые были достигнуты на кристалле CdSiP2 (CSP) [4], обладающем эффективной нелинейностью, более чем в 15 раз превышающей нелинейность BGS. На этом ПГС была получена рекордная для таких схем средняя мощность излучения в РЖ области дальше 5 мкм.

В ходе диссертационных исследований было выяснено, что можно достигнуть высоких уровней энергии и мощности излучения внутри резонатора ПГС, при которых исследуемые изоструктурные кристаллы LGS и BGS еще были способны работать без каких-либо разрушений, в то время как для зеркал, формировавших резонатор, порог лучевой стойкости уже достигался. Эти результаты указывают на два возможных в дальнейшем усовершенствования технологии таких генераторов: повышение лучевой стойкости покрытий применяемых зеркал; или, обозначая наихудшую ситуацию, они могут ориентировать дальнейшие поиски нелинейно-оптических материалов в сторону увеличения нелинейных коэффициентов, ответственных за эффективность преобразования, которое будет сопровождаться неизбежным во многих случаях понижением лучевой стойкости материала.

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. Между тем, работа ПГС на уже имеющихся материалах в одних случаях может быть улучшена за счет усовершенствования техники полировки оптических кристаллов, а также улучшения наносимых на них покрытий. В других случаях требуется совершенствование технологий выращивания, которые позволили бы получать более объемные кристаллы оптического качества.

Цель и задачи работы.

Цель диссертационных исследований состояла в поиске и изучении свойств широкозонных халькогенидных нелинейных кристаллов для одноре-зонаторных 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 BGS с точечной группой симметрии mm2 определить соответствие между осью симметрии второго порядка и кристаллооптиче-ской системой координат;

- провести эксперименты по синхронной генерации второй гармоники в кристалле BGS для определения величин и взаимного знака коэффициентов квадратичной восприимчивости 6.\2 и dt3 относительно коэффициента d36 тиогаллата серебра;

- экспериментально определить пороги оптической стойкости элементов из кристаллов LISe, 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 накачки 100 Гц и генерацией излучения в диапазоне 5.5-6.5 мкм.

В качестве объектов исследования в настоящей работе были выбраны кристаллы LiInSe2, LiGaS2, принадлежащие к группе халькогенидов со структурой типа вюрцита, и новый нелинейно-оптический кристалл BaGa4S7. 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 ИК диапазона с накачкой импульсно-периодическим одномикронным лазерным излучением наносекундной длительности. Научная новизна.

1. 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 < nY < nz , где п - показатели преломления, с, a, b - периоды идентичности структуры, с < а < Ъ, [6] - основные публикации по теме диссертации), это позволило установить в этом кристалле возможные типы трехчастотных нелинейных процессов и указать углы фазового согласования для реализации ПГС среднего ИК диапазона с накачкой одномикронным лазерным излучением.

2. Впервые определены абсолютные значения коэффициентов квадратичной восприимчивости di2 и do кристалла BGS и их относительный знак, позволяющие установить энергетически наиболее оптимальное направление в кристалле для реализации ПГС среднего ИК диапазона с накачкой одномикронным лазерным излучением.

3. 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.

4. 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).

5. 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.

6. 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 [4] на кристалле CSP. Средняя мощность излучения составила 50 мВт в окрестности 6.2 мкм и также является рекордной для однокаскадных ПГС с одномикронной накачкой.

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 нецентросимметричного двухосного кристалла с помощью несинхронной ГВГ.

В ходе диссертационных исследований было показано, что кристаллы LGS и BGS могут быть использованы для создания высокоэнергетических твердотельных 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.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. 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 нецентросиметричного двухосного кристалла.

2. Абсолютные значения коэффициентов квадратичной восприимчивости d12 и do кристалла BGS имеют значения d)2 = (5.1 ± 0.3) пм/В и d]3 = (5.7 ± 0.3) пм/В на длине волны 2300 нм, а их относительный знак d12/d13 > 0.

3. 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 .

4. Реализованные параметрические генераторы света среднего ИК 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.

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.

Обоснованность и достоверность результатов, представленных в диссертационной работе, подтверждается их обсуждением на ряде международных научных конференций, а также статьями, опубликованными в рецензируемых научных журналах.

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы 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 CLEO' 11 (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).

Основные публикации по теме диссертации.

1. Tyazhev A., Kolker D., Marchev G., Badikov V., Badikov D., Shevyrdyaeva G., Panyutin V., Petrov V. Midinfrared optical parametric oscillator based on the wide-bandgap BaGa4S7 nonlinear crystal // Opt. Lett., 2012, v. 37, № 20 (в печати).

2. Tyazhev A., Kolker D., Marchev G., Vedenyapin V., Yelisseyev A., Isaenko L., Starikova M., Lobanov S., Petrov V., Zondy J.-J. Singly-resonant LiGaS2 mid-IR optical parametric oscillator // Europhoton2012.

3. Tyazhev A., Kolker D., Marchev G., Badikov V., Badikov D., Shevyrdyaeva G., Panyutin V., Petrov V. Mid-infrared optical parametric oscillation in the wide-bandgap BaGa4S7 nonlinear crystal // in CLEO: Science and Innovations, OS A Technical Digest (online), 2012, paper CThlB.4.

4. Marchev G., Tyazhev A., Panyutin V., Petrov V., Noack F., Miyata K., Griepentrog M. Some properties of the mixed GaS0.4Se0.6 nonlinear crystal in comparison to GaSe // Proc. SPIE, 2011, v. 7917, p. 79171G/1-10.

5. Petrov V., Panyutin V.L., Tyazhev A., Marchev G., Zagumennyi A.I., Rotermund F., Noack F., Miyata K., Iskhakova L.D., Zerrouk A.F. GaS0.4Se0.6: relevant properties and potential for 1064 nm pumped mid-IR OPOs and OPGs operating above 5 |im // Laser Phys., 2011, v. 21, № 4, p. 774-781.

6. Badikov V., Badikov D., Shevyrdyaeva G., Tyazhev A., Marchev G., Panyutin V., Petrov V., Kwasniewski A. Phase-matching properties of BaGa4S7 and BaGa4Se7: wide-bandgap nonlinear crystals for the mid-infrared // Phys. Status Solidi RRL, 2011, v. 5, № 1, p. 31-33.

7. Badikov V., Badikov D., Shevyrdyaeva G., Tyazhev A., Marchev G., Panyutin

V., Noack F., Petrov V., Kwasniewski A. BaGa4S7: wide-bandgap phase-matchable nonlinear crystal for the mid-infrared // Opt. Mater. Express, 2011, v. 1, № 3, p. 316-320.

8. Petrov V., Zondy J.-J., Bidault O., Isaenko L., Vedenyapin V., Yelisseyev A., Chen W., Tyazhev A., Lobanov S., Marchev G., Kolker D. Optical, thermal, electrical, damage, and phase-matching properties of lithium selenoindate // J. Opt. Soc. Am. B, 2010, v. 27, № 9, p. 1902-1927.

9. Tyazhev A., Marchev G., Vedenyapin V., Kolker D., Yelisseyev A., Lobanov S., Isaenko L., Zondy J.-J., Petrov V. LiInSe2 nanosecond optical parametric oscillator tunable from 4.7 to 8.7 |im // Proc. SPIE, 2010, v. 7582, 75820E/1-11.

10. Marchev G., Tyazhev A., Vedenyapin V., Kolker D., Yelisseyev A., Lobanov S., Isaenko L., Zondy J.-J., Petrov V. Broadly tunable LiInSe2 optical parametric oscillator pumped by a Nd:YAG laser // Proc. SPIE, 2009, v. 7487, 74870F/1-9.

11. Marchev G., Tyazhev A., Vedenyapin V., Kolker D., Yelisseyev A., Lobanov S., Isaenko L., Zondy J.-J., Petrov V. Nd:YAG pumped nanosecond optical parametric oscillator based on LiInSe2 with tunability extending from 4.7 to 8.7 pm // Opt. Exp., 2009, v. 17, № 16, p. 13441-13446.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, раздела "Заключение", содержит 132 страницы, 21 таблицу, 20 рисунков, библиографический список из 80 наименований.

Заключение диссертации по теме «Оптика», Тяжев, Алексей Владимирович

Выводы

Продемонстрирован ПГС на кристалле 1Л8е с накачкой импульсно-периодическим излучением на 1.064 мкм на частоте следования импульсов 100 Гц. В ПГС с образцом А максимальная достигнутая энергия составила 282 мкДж на 6.514 мкм, соответствуя средней мощности «28 мВт. Энергия накачки в экспериментах с двумя образцами была ограничена порогом лучевой стойкости поверхности кристалла. У образца А этот порог для одной из поверхностей оказался, как было отмечено в главе 3, в два раза ниже, чем для

118 другой. При решении проблем воспроизводимости порога лучевой стойкости можно ожидать получения более высоких показателей выходной энергии и мощности.

Область перестройки ПГС с образцом А длиной 17.6 мм, вырезанным для генерации на 6.5 мкм, составила 4.7-7.5 мкм. При этом на ПГС с образцом В длиной 24.5 мм, вырезанным для генерации на 8.428 мкм, была получена область перестройки от 5.5 мкм до 8.7 мкм. Ограниченность области перестройки ПГС с образцом А длиной волны 7.5 мкм может быть объяснена высокими остаточными потерями, присутствовавшими в образце, которые в области максимальной прозрачности у LISe могут доходить до 0.1 см"1. При решении проблемы остаточных потерь в материале можно ожидать и расширения диапазона перестройки в более глубокую среднюю ИК область, а также и увеличения выходной энергии.

Продемонстрирован параметрический генератор света на кристалле LGS. Эта демонстрация стала первой, в которой кристалл накачивался последовательностью высокоэнергетических импульсов на 1.064 мкм, в отличие от демонстрации первого ПГС в работе [30], в которой энергия накачивающих импульсов не превышала 1 мДж. Максимальный уровень энергии накачки, в противоположность ПГС на LISe, был ограничен порогом лучевой стойкости зеркал, формировавших линейный резонатор ПГС. Достигнутая максимальная энергия на 5.457 мкм составила 134 мкДж при пиковой интенсивности накачЛ ки 78 МВт/см . При использовании зеркал с большим порогом лучевой стойкости, судя по дифференциальной эффективности при максимальных энергиях накачки, можно ожидать выходной энергии > 1 мДж.

Продемонстрирован первый параметрический генератор света на новом нелинейно-оптическом кристалле для среднего ИК диапазона BGS. При максимальной энергии накачки 82 мДж, которая соответствует 54 МВт/см пиковой интенсивности, была достигнута энергия 483 мкДж на 6.217 мкм. Эта энергия сравнима с энергией 0.47 мДж на 6.2 мкм, достигнутой ранее на кристалле CSP в работе [4] и являющейся рекордной для однокаскадных ПГС с одномикронной накачкой в области спектра за пределами 5 мкм. Максимальная достигнутая средняя мощность -50 мВт на 6.217 мкм является на сегодня также рекордной для таких ПГС в области спектра за пределами 5 мкм. Энергия накачки в этом эксперименте также как и в эксперименте с кристаллом LGS, была ограничена порогом лучевой стойкости металлического зеркала резонатора. Кристалл BGS имеет, как было показано в главе 3, одинаковые характеристики с кристаллом LGS (ширина запрещенной зоны, коэффициент квадратичной нелинейности, порог лучевой стойкости), но при этом технология его выращивания позволяет получать более объемные образцы оптического качества. Полученная область перестройки ПГС составила 5.6-7.3 мкм.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации исследованы характеристики нелинейно-оптических материалов для среднего ИК диапазона, широкозонных халькогенидов, LISe, LGS и BGS. Определены пороги их лучевой стойкости в режиме импульсно-периодического излучения наносекундной длительности на 1.064 нм. Для кристалла LISe порог лучевой стойкости на 1.064 нм был определен также в непрерывном режиме. С помощью несинхронной генерации второй гармоники найдено соответствие оси симметрии второго порядка и кристаллооптиче-ской системы координат в ромбическом кристалле BGS с точечной группой симметрии mm2, что дало возможность измерить его коэффициенты квадратичной восприимчивости d\2 и d\3. На этих кристаллах были реализованы од-норезонаторные ПГС с двухпроходной накачкой импульсно-периодическим излучением наносекундной длительности на 1.064 мкм и продемонстрирована генерация в среднем инфракрасном диапазоне спектра. Основные результаты и выводы.

1. Путем реализации процессов несинхронной генерации второй гармоники в специально ориентированной прямоугольной призме из кристалла BGS, в которой каждая из граней совпадает с одной из главных плоскостей диэлектрической системы координат, установлено, что в кристалле BGS ось симметрии второго порядка направлена вдоль главной диэлектрической оси X. Предложена методика определения точечной группы симметрии двухосного нецентросимметричного кристалла при помощи несинхронной ГВГ в главных плоскостях его диэлектрической системы координат.

2. Определены абсолютные значения коэффициентов квадратичной восприимчивости кристалла BGS на 2300 нм и их относительный знак: d\2 = (5.1 ± 0.3) пм/В, du = (5.7 ± 0.3) пм/В и dl2/d13> 0.

3. Установлено, что пробой тонких пластинок LISe, вырезанных из одной були, при облучении последовательностью импульсов длительностью 14 нс с частотой следования 100 Гц на 1.064 нм наступает при пиковых плотностях энергии 0.78-0.92 Дж/ем . В некоторых случаях пробою предшествует появление белесых пятен при более низких плотностях энергии, самая низкая из которых составила 0.51 Дж/см .

4. Определены пороги лучевой стойкости для пластинок LGS и BGS без покрытий в режиме 14-нс импульсов с частотой следования 100 Гц, которые

2 2 составили 3.33 Дж/см и 3.7 Дж/см , соответственно. Таким образом, показано, что эти кристаллы с близкими ширинами запрещенных зон имеют близкие пороги разрушения и значениями коэффициентов квадратичной восприимчивости.

5. Реализован ПГС среднего инфракрасного диапазона на кристалле LISe с накачкой наносекундными импульсами на 1.064 мкм с частотой следовании 100 Гц. На разных образцах кристалла получена перестройка выходного излучения в областях 4.7-7.5 мкм и 5.5-8.7 мкм. Максимальные достигнутые выходные энергия и мощность составили 282 мкДж и 28 мВт на 6.514 мкм.

6. Реализован параметрический генератор света среднего ИК диапазона на кристалле LGS с накачкой высокоэнергетическими наносекундными импульсами на 1.064 мкм с частотой следования 100 Гц. Максимальная достигнутая энергия составила 134 мкДж на 5.457 мкм. Достижение больших значений энергии в этих экспериментах сдерживалось порогом лучевой стойкости зеркал, формировавших линейный резонатор ПГС, и небольшими размерами образца кристалла 5><7><8 мм3. Из полученной зависимости энергии импульса выходного излучения холостой волны от энергии импульса излучения накачки следует, что на элементе из кристалла LGS возможна генерация гораздо более высоких энергий в среднем ИК диапазоне.

7. Реализован параметрический генератор света на новом нелинейном кристалле BGS (элемент с апертурой 9.8x9.5 мм и длиной 14.05 мм). Достигнутые максимальные энергия и мощность составили 483 мкДж и ~50 мВт на 6.2 мкм. Энергия 0.48 мДж сравнима с рекордной энергией 0.47 мДж, достигнутой ранее на кристалле CSP, а мощность в 50 мВт является на сегодня рекордной мощностью для однокаскадных ПГС с одномикронной накачкой, полученной в области ИК диапазона более 5 мкм. Область перестройки инфракрасного излучения составила 5.6-7.3 мкм. Работа ПГС в этих экспериментах также как и в экспериментах с LGS сдерживалась порогом лучевой стойкости одного из зеркал резонатора. Тем не менее, максимальная энергия накачки в три раза превысила энергию порога генерации, что также относится к рекордным результатам. Таким образом, кристалл BGS является перспективным материалом для ПГС среднего ИК диапазона.

8. Из представленных характеристик широкозонных халькогенидов LISe, LGS и BGS и результатов проведенных экспериментов следует, что эти кристаллы могут эффективно работать в ПГС среднего ИК диапазона с накачкой высокоэнергетическим одномикронным излучением на частоте следования импульсов 100 Гц, а по энергетической эффективности кристалл BGS за счет более высокой лучевой стойкости не уступает таким кристаллам как AgGaS2 и CdSiP2.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Тяжев, Алексей Владимирович, 2012 год

1. Godard A. 1.frared (2-12 |im) solid-state laser sources: a review // Comptes Rendus Physique, 2007, v. 8, № 10, p. 1100-1128.

2. Curl R.F., Capasso F., Gmachl C., Kosterev A.A., McManus В., Lewicki R., Pusharsky M., Wysocki G., Tittel F.K. Quantum cascade lasers in chemical physics // Chemical Phys. Lett., 2010, v. 487, № 1-3, p. 1-18.

3. Vodopyanov K.L., Maffetone J.P., Zwieback I., Ruderman W. AgGaS2 optical parametric oscillator continuously tunable from 3.9 to 11.3 fj,m // Appl. Phys. Lett., 1999, v. 75, № 9, p. 1204-1206.

4. Petrov V., Schunemann P.G., Zawilski K.T., Pollak T.M. Noncritical singly resonant optical parametric oscillator operation near 6.2 (im based on a CdSiP2 crystal pumped at 1064 nm // Opt. Lett., 2009, v. 34, № 16, p. 2399-2401.

5. Kaminskii A.A. Laser crystals and ceramics: recent advances // Laser & Photon. Rev., 2007, v. 1, № 2, p. 93-177.

6. Mirov S., Fedorov V., Moskalev I., Martyshkin D., Kim C. Progress in Cr and Fe doped mid-IR laser materials // Laser & Photon. Rev., 2010, v. 4, № 1, p. 21-41.

7. Mirov S.B., Fedorov V.V., Martyshkin D.V., Moskalev I.S., Mirov M.S., Gapontsev V.P. Progress in mid-IR Cr and Fe doped II-VI materials and lasers Invited. // Opt. Mat. Express, 2011, v. 1, № 5, p. 898-910.

8. Sorokin E., Sorokina I.Т., Mirov M.S., Fedorov V.V., Moskalev I.S., Mirov S.B. Ultrabroad continuous-wave tuning of ceramic Cr:ZnSe and Cr:ZnS lasers // Technical digest on CD-ROM, Advanced Solid State Photonics, San Diego, CA, USA, 2010, paper AMC2.

9. Boulon G. Fifty years of advances in solid-state laser materials // Opt. Mat., 2012, v. 34, №3, p. 499-512.

10. Doroshenko M.E., Basiev T.T., Osiko V.V., Badikov V.V., Badikov D.V., Jelinkova H., Koranda P., Sulc J. Oscillation properties of dysprosium-doped lead thiogallate crystal // Opt. Lett., 2009, v. 34, № 5, p. 590-592.

11. Бадиков В., Бадиков Д., Дорошенко М. Лазер среднего ИК-диапазона накристалле PbGa2S4:Dy3+ 11 Фотоника, 2010, № 2, с. 8-10.

12. Faist J., Capasso F., Sivco D.L., Sirtori C., Hutchinson A.L., Cho A.Y. Quantum cascade laser// Science, 1994, v. 264, № 5158, p. 553-556.

13. Bai Y., Slivken S., Darvish S.R., Haddadi A., Gokden В., Razeghia M. High power broad area quantum cascade lasers // Appl. Phys. Lett., 2009, v. 95, № 22, p. 221104/1-3.

14. Gökden В., Bai Y., Bandyopadhyay N., Slivken S., Razeghia M. Broad area photonic crystal distributed feedback quantum cascade lasers emitting 34 W at436 (im // Appl. Phys. Lett., 2010, v. 97, № 13, p. 131112/1-3.

15. Razeghi M., Slivken S., Bai Y., Gokden В., Darvish S.R. High power quantum cascade lasers // New Journal of Physics, 2009, v. 11, p. 125017/1-13.

16. Hugi A., Terazzi R., Bonetti Y., Wittmann A., Fischer M., Beck M., Faist J., Gini E. External cavity quantum cascade laser tunable from 7.6 to 11.4 fim // Appl. Phys. Lett., 2009, v. 95, № 6, p. 061103/1-3.

17. Lee B.G, Zhang H.A., Pflugl C., Diehl L., Belkin M.A., Fischer M., Wittmann A., Faist J., Capasso F. Broadband distributed-feedback quantum cascade laser array operating from 8.0 to 9.8 (im // IEEE Photon. Technol. Lett., 2009, v. 21, № 13, p. 914-916.

18. Zhang S.Y., Revin D.G., Cockburn J.W., Kennedy K., Krysa A.B., Hopkinson M. |im room temperature InGaAs/AlAsSb/InP quantum cascade lasers // Appl. Phys. Lett., 2009, v. 94, № 3, p. 031106/1-3.

19. Qin G., Yan X., Kito C., Liao M., Chaudhari C., Suzuki Т., Ohishi Y. Ul-trabroadband supercontinuum generation from ultraviolet to 6.28 jim in a fluoride fiber// Appl. Phys. Lett., 2009, v. 95, № 16, p. 161103/1-3.

20. Giordmaine J.A., Miller R.C. Tunable coherent parametric oscillation in LiNb03 at optical frequencies // Phys. Rev. Lett., 1965, v. 14, № 24, p. 973976.

21. Ebrahim-Zadeh M. Continuous-wave optical parametric oscillators // chapter in Handbook of optics, Volume IV: Optical properties of materials, nonlinear optics, quantum optics (Set). McGraw-Hill Professional, 2009, 1152 p.

22. Douillet A., Zondy J.-J. Low-threshold, self-frequency-stabilized AgGaS2 continuous-wave subharmonic optical parametric oscillator // Opt. Lett., 1998, v. 23, № 16, p. 1259-1261.

23. Chen W., Cousin J., Poullet E., Burie J., Boucher D., Gao X., Sigrist M.W., Tittel F.K. Continuous-wave mid-infrared laser sources based on difference frequency generation // Comptes Rendus Physique, 2007, v. 8, № 10, p. 1129— 1150.

24. Petrov V. Parametric down-conversion devices: the coverage of the mid-infrared spectral range by solid-state laser sources // Opt. Mater., 2012, v. 34, № 3, p. 536-554.

25. Chen W., Mouret G., Boucher D. Difference-frequency laser spectroscopy detection of acetylene trace constituent // Appl. Phys. B, 1998, v. 67, № 3, p. 375-378.

26. Pasiskevicius V., Stromqvist G., Laurell F., Canalias C. Quasi-phase matched nonlinear media: progress towards nonlinear optical engineering // Opt. Mat., 2012, v. 34, №3, p. 513-523.

27. Tyazhev A., Vedenyapin V., Marchev G., Yelisseyev A., Isaenko L., Starikova

28. М., Lobanov S., Petrov V. Mid-IR optical parametric oscillator based on Li-GaS2 // in CLEO/Europe and EQEC 2011 conference digest, OS A Technical Digest (CD), 2011, paper CDP15.

29. Jackson A.G., Ohmer M.C., LeClair S.R. Relationship of the second order nonlinear optical coefficient to energy gap in inorganic non-centrosymmetric crystals // Infrared Phys. & Technol., 1997, v. 38, № 4, p. 233-244.

30. Dmitriev V.G., Gurzadyan G.G., Nikogosyan D.N. Handbook of nonlinear optical crystals. Springer, 1999, 413 p.

31. Давыдов А.А., Кулевский JI.А., Прохоров A.M., Савельев А.Д., Смирнов B.B. Параметрическая генерация на кристалле CdSe с накачкой от лазера на CaF2:Dy2+ // Письма в ЖЭТФ, 1972, т. 15, в. 12, с. 725-727.

32. Allakhverdiev K.R., Yetis М.О., Ozbek S., Baykara Т.К., Salaev E.Yu. Effective nonlinear GaSe crystal. Optical properties and applications // Las. Phys., 2009, v. 19, №5, p. 1092-1104.

33. Allakhverdiev K.R., Baykara Т., Joosten S., Giinay E., Kaya A.A., Kulibekov (Gulubayov) A., Seilmeier A., Salaev E.Yu. Anisotropy of two-photon absorption in gallium selenide at 1064 nm // Opt. Comm., 2006, v. 261, № 1, p. 60-64.

34. Petrov V., Badikov V., Panyutin V. Quaternary nonlinear optical crystals for the mid-infrared spectral range from 5 to 12 |um // chapter in Mid-infrared coherent sources and applications, Ebrahim-Zadeh M., Sorokina I.T., 2007, Spinger, 625 p.

35. Voronin E.S., Solomatin V.S., Cherepov N.I., Shuvalov V.V., Badikov V.V., Pivovarov O.N. Conversion of infrared radiation in an AgGaS2 crystal // So. J. Quant. Electron., 1975, v. 5, № 5, p. 597-598.

36. Schunemann P.G. Improved NLO crystals for mid-IR laser applications // Proc. SPIE, 2007, v. 6455, p. 64550R/1-7.

37. Dergachev A., Armstrong D., Smith A., Drake Т., Dubois M. High-power, high-energy ZGP OPA pumped by a 2.05-(im Ho:YLF MOPA System // Proc. SPIE, 2008, v. 6875, p. 687507/1-10.

38. Smith A.V., Armstrong D.J. Nanosecond optical parametric oscillator with 90° image rotation: design and performance // J. Opt. Soc. Am. B, 2002, v. 19, № 8, p. 1801-1814.

39. Dergachev A., Armstrong D., Smith A., Drake T., Dubois M. 3.4-|um ZGP RISTRA nanosecond optical parametric oscillator pumped by a 2.05-|j.m Ho:YLF MOP A system // Opt. Express, 2007, v. 15, № 22, p. 14404-14413.

40. Armstrong D.J., Smith A.V. 90% pump depletion and good beam quality in a pulse-injection-seeded nanosecond optical parametric oscillator // Opt. Lett., 2006, v. 31, №3, p. 380-382.

41. Lee H.R., Yu J., Barnes N.P., Bai Y. High pulse energy ZnGeP2 singly resonant OPO // Advanced solid-state photonics, OSA technical digest, 2004, paper TuC3.

42. Pomeranz L.A., Ketteridge P.A., Budni P.A., Ezzo K.M., Rines D.M., Chicklis

43. E.P. Tm:YA103 laser pumped ZGP mid-IR source // Advanced solid-state photonics, OSA Trends in optics and photonics, 2003, v. 83, p. 142-156.

44. Allik T.H., Chandra S., Rines D.M., Schunemann P.G., Hutchinson J.A., Utano R. Tunable 7-12-|im optical parametric oscillator using a Cr,Er:YSGG laser to pump CdSe and ZnGeP2 crystals // Opt. Lett., 1997, v. 22, № 9, p. 597-599.

45. Segura M., Mateos X., Tyazhev A., Pujol M.C., Carvajal J.J., Aguilo M., Diaz

46. F., Griebner U., Petrov V. Passive ^-switching of a diode-pumped (Tm,Yb):KLu(W04)2 laser near 2-(i,m with a Cr :ZnS saturable absorber // Proc. SPIE, 2012, v. 8235, paper 82351U.

47. Terry J.A.C., McEwan K.J., Payne M.J.P. A tandem OPO route to the mid-IR // Advanced solid state lasers, OSA trends in optics and photonics series, 1998, v. 19, paper FC4.

48. Arisholm G., Lippert E., Rustad G., Stenersen K. Efficient conversion from 1 to 2 |im by a KTP-based ring optical parametric oscillator // Opt. Lett., 2002, v. 27, № 15, p. 1336-1338.

49. Phua P.B., Tan B.S., Wu R.F., Lai K.S., Chia L., Lau E. High-average-power mid-infrared ZnGeP2 optical parametric oscillator with a wavelengthdependent polarization rotator // Opt. Lett., 2006, v. 31, № 4, p. 489-451.

50. Lancaster D.G. Efficient Nd:YAG pumped mid-IR laser based on cascaded KTP and ZGP optical parametric oscillators and a ZGP parametric amplifier // Opt. Comm., 2009, v. 282, № 2, p. 272-275.

51. Vodopyanov K.L., Schunemann P.G. Broadly tunable noncritically phase-matched ZnGeP2 optical parametric oscillator with a 2-|iiJ pump threshold // Opt. Lett., 2003, v. 28, № 6, p. 441^143.

52. Henriksson M., Sjoqvist L., Stromqvist G., Pasiskevicius V., Laurell F. Tandem PPKTP and ZGP OPO for mid-infrared generation // Proc. SPIE, 2008, v. 7115, p. 711500/1-10.

53. Ammann E.O., Yarborough J.M. Optical parametric oscillation in proustite // Appl. Phys. Lett., 1970, v. 17, № 6, p. 233-235.

54. Fan Y.X., Eckardt 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.

55. Бадиков B.B., Дон A.K., Митнн K.B., Серегин A.M., Синайский В.В., Ще-бетова Н.И. Оптический параметрический генератор на кристалле HgGa2S4 // Квант, эл., 2003, т. 33, № 9, с. 831-232.

56. Бадиков В.В., Дон А.К., Митин К.В., Серегин A.M., Синайский В.В., Ще-бетова Н.И. Оптический параметрический генератор на кристалле Hgi xCdxGa2S4 // Квант, эл., 2005, т. 35, № 9, с. 853-856.

57. Zondy J.-J., Vedenyapin V., Yelisseyev A., Lobanov S., Isaenko L., Petrov V. LiInSe2 nanosecond optical parametric oscillator // Opt. Lett., 2005, v. 30, № 18, p. 2460-2462.

58. Hanna D.C., Luther-Davies В., Smith R.C. Singly resonant proustite parametric oscillator tuned from 1.22 to 8.5 (im // Appl. Phys. Lett., 1973, v. 22, p. 440-442.

59. Tyazhev A., Marchev G., Vedenyapin V., Kolker D., Yelisseyev A., Lobanov S., Isaenko L., Zondy J.-J., Petrov V. LiInSe2 nanosecond optical parametric oscillator tunable from 4.7 to 8.7 (im // Proc. SPIE, 2010, v. 7582, p. 75820E.

60. Isaenko L., Yelisseyev A., Lobanov S., Krinitsin P., V. Petrov V., Zondy J.-J. Ternary chalcogenides LiBC2 (B = In, Ga; С = S, Se, Те) for mid-IR nonlinear optics // J. Non-Crystalline Solids, 2006, v. 352, № 23-25, p. 2439-2443.

61. Кузьмин O.B., Мартынов A.A., Панютин В.JI., Чижиков В.И. Введение в прикладную нелинейную оптику. Кубан. гос. ун-т, 1999, 280 с.

62. Shen Y.R. The principles of nonlinear optics. A John Wiley & sons inc., 2003, 576 p.

63. Boyd R.W. Nonlinear optics. Academic press, 2008, 640 p.

64. Brosnan S.J., Byer R.L. Optical parametric oscillator threshold and linewidthstudies // J. Quant. Electron., v. 15, № 6, 1979, p. 415-430.

65. Федоров Ф.И., Филиппов B.B. Отражение и преломление света прозрачными кристаллами. Минск: Наука и техника, 1976, 224 с.

66. Кузьмин О.В., Мартынов А.А., Панютин В.Л., Чижиков В.И. Основы кристаллооптики. Линейные эффекты. Краснодар, 1997, 176 с.

67. ISO Standard 11254-2, Determination of laser-induced damage threshold of optical surfaces part 2: S-on-1 test. 2001.

68. Zawilski K.T., Setzler S.D., Schunemann P.G., Pollak T.M. Increasing the laser-induced damage threshold of single-crystal ZnGeP2 // J. Opt. Soc. Am. B, 2006, v. 23, № 11, p. 2310-2316.

69. Частная переписка с Штёплером Г., Айхорном М. и Хильденбранд А.

70. Chemla D.S., Kupecek P.J., Robertson D.S., Smith R.C. Silver thiogallate, a new material with potential for infrared devices // Opt. Comm., 1971, v. 3, № l,p. 29-31.

71. Isaenlco L., Vasilyeva I., Yelisseyev A., Lobanov S., Malakhov V., Dovlitova L., Zondy J.-J., Kavun I. Growth and characterization of LiInS2 single crystals // J. Crystal Growth, 2000, v. 218, № 2-4, p. 313-322.

72. Petrov V., Yelisseyev A., Isaenko L., Lobanov S., Titov A., Zondy J.-J. Second harmonic generation and optical parametric amplification in the mid-IR with orthorhombic biaxial crystals LiGaS2 and LiGaSe2 // Appl. Phys. B, 2004, v. 78, № 5, p. 543-546.

73. Lin X., Zhang G., Ye N. Growth and characterization of BaGa4S7: a new crystal for mid-IR nonlinear optics // Cryst. Growth & Design, 2009, v. 9, № 2, p. 1186-1189.