Optical properties and terahertz wave generation in Li₂B₄O₇ crytal.pdf Введение Одноосный отрицательный (no > ne) нелинейный кристалл тетрабората лития (Li2B4O7 или LB4) относится к кристаллам пространственной группы симметрии 4mm. Область его максимальной прозрачности по нулевому уровню находится в пределах от рекордно коротковолновой (0.16 мкм) для нелинейных кристаллов границы пропускания до 3.5 мкм [l-3]. Кристалл характеризуется малым, α  10-4 см-1, уровнем оптических потерь в области максимальной прозрачности [4] и высокой однородностью показателя преломления n/n = 10-6/мм [1]. Среднее количество дислокаций в выращенных кристаллах не превышает 10/см2 при наличии обширных бездефектных областей [5]. В области максимальной прозрачности (где условия симметрии Клейнмана не выполняются) кристалл имеет пять отличных от нуля коэффициентов нелинейной восприимчивости второго порядка [6, 7]. Этот диапазон совпадает со спектральной областью генерации и гармониками излучения эффективных твердотельных лазерных систем, которые можно использовать в качестве источников накачки при преобразованиях частоты. Показатели преломления в этой спектральной области изменяются с температурой незначительно (∂n/∂T ≈ 10-6 К-1) [1], а лучевая стойкость почти в 4 раза превышает таковую для кристалла LBO и составляет 1 ГВт/см2 [8]. В настоящее время имеется впечатляющая технология изготовления образцов кристалла диаметром до 100 и длиной до 200 мм [9]. Такое положение дел, наряду с негигроскопичностью, делает LB4 чрезвычайно привлекательным для использования в качестве преобразователей частоты. Однако, несмотря на 40-летнюю известность и неординарные свойства, кристалл LB4 не нашел сколько-нибудь значимого применения на практике для преобразования частоты в пределах основного окна прозрачности и практически не рассматривается как генератор ТГц-излучения. Основной причиной отсутствия заметного интереса к нему являются низкие нелинейные свойства. Значения коэффициентов нелинейной восприимчивости второго порядка LB4, ответственные за эффективность преобразования в ТГц-диапазон, в 2 раза ниже, чем у популярных кристаллов LBO, а именно: d15 = d24 = d31 = d32 = d32 = (0.120.03) пм/В, d33 = (0.470.03) пм/В (на длине волны 1.0642 мкм) [1]. Это значит, что кристалл LB4 в 4 раза уступает LBO по коэффициенту качества, пропорциональному потенциальной эффективности генерации. С другой стороны, имеется сообщение о неординарно высокой лучевой стойкости LB4 к импульсам длительностью 10 нс на длине волны 1.064 мкм равной 1 ГВт/см2 [8], что в 2 раза выше лучевой стойкости кристалла LBO и в 8 раз выше, чем у плавленого кварца. Неординарно коротковолновая граница спектра пропускания также указывает на рекордно высокую лучевую стойкость. Эти данные говорят о возможности получения эффективной генерации ТГц-излучения, если условия фазового синхронизма могут быть выполнены. Основным фактором, сдерживающим проведение исследований по генерации ТГц-излучения ТГц-диапазона, является малая распространенность источников накачки с неординарно высокими выходными энергетическими характеристиками и отсутствие информации о дисперсионных свойствах LB4 в его пределах. Система дисперсионных уравнений (T = 298 К) для окна прозрачности кристалла приведена в [7]. Дополнительную информацию можно найти в работах [10-12]. В настоящей работе впервые исследованы оптические свойства кристалла LB4 в диапазоне длин волн 180-2000 мкм (1.6-0.15 ТГц) и оценены возможности получения генерации терагерцовых волн. Рабочие образцы Монокристаллическая буля LB4 была выращена и рабочие образцы изготовлены из нее в Институте геологии и минералогии СО РАН, Россия. Внешний вид образцов приведен на рис. 1, а. Рабочие образцы не просветлялись. Оптическая ось Z образцов лежала в плоскости входных поверхностей, что позволяло определять оптические свойства для излучений накачки поляризованных в направлениях перпендикулярно осям X и Y. Площадь образцов значительно превышала апертуру взаимодействующих пучков в фокусе пластиковой линзы из TPX («Tydex», Санкт-Петербург), что исключало влияние краевых эффектов на результаты измерений. Рис. 1. Внешний вид рабочих образцов кристалла LB4, стрелкой указано направление оптической оси Z (а); спектр пропускания рабочих образцов в основном окне прозрачности (б) Спектр пропускания при комнатной температуре (рис. 1, б) определен с помощью спектрометра Shimadzu UV 3100 (Япония). Кристалл имеет высокое оптическое качество, соответствующее лучшим известным образцам [4]. Исследование дисперсионных свойств Исследование дисперсионных свойств проведено в диапазоне 0.15-1.6 ТГц (180-2000 мкм) при комнатной температуре на установке ЦКП «Спектроскопия и оптика» Института автоматики и электрометрии СО РАН. Полученные результаты аппроксимированы в виде дисперсионных уравнений и показаны на рис. 2, а. Дисперсионные свойства кристалла умеренны, что позволяет реализовать более удобный для практических применений коллинеарный фазовый синхронизм. Точное измерение коэффициента оптических потерь в длинноволновой части спектра, наиболее привлекательной для практических применений в зондировании атмосферы, невозможно из-за малой оптической толщи образца. За верхнюю границу коэффициента потерь можно принять значение 2-4 см-1, что привлекательно для практического применения образцов миллиметровых толщин. С учетом того факта, что кристалл состоит из малоразмерных атомов, затрудняющих внедрение примесей, следует ожидать гораздо более низкого уровня потерь. Рис. 2. Спектральные зависимости показателей преломления (а) и коэффициентов поглощения (плавные линии - результат усреднения) (б) Наибольшими эффективными нелинейными восприимчивостями второго порядка кристалла LB4 являются (взаимодействие o - e  o-типа) и (взаимодействие o - o  e-типа) [13]. В силу равенства d15 = d31 = (0.120.03) пм/В эти эффективные коэффициенты равны и почти в 4 раза меньше, чем максимальный коэффициент d33. На рис. 3 показаны зависимость угла фазового синхронизма и длины когерентности от длины волны генерируемого излучения. Рис. 3. Зависимость качества и угла фазового синхронизма (ФС) (а), а также длины когерентности (б) от длины волны генерируемого излучения На рис. 3, а видно, что потенциальная эффективность генерации длинноволнового ТГц-излу¬че¬ния, перспективного, в частности, для использования в системах мониторинга состава атмосферы, невысока при фиксированном уровне интенсивности накачки по отношению к другим нелинейным кристаллам из-за предельно низкого эффективного коэффициента нелинейной восприимчивости второго порядка. С другой стороны, неординарно высокая лучевая стойкость радикально изменяет положение дел и делает кристалл LB4, с учетом высокого оптического качества и дециметровых размеров выращиваемых образцов, самым перспективным для создания мощных источников ТГц-излучения. Заключение Впервые проведено изучение оптических свойств нелинейного кристалла Li2B4O7 (LB4) в терагерцовом диапазоне спектра. Исследована спектральная область 0.15-1.6 ТГц (180-2000 мкм) при комнатной температуре. Малая толщина кристаллов 300 мкм ограничила измерения уровня оптических потерь значениями не выше 2-4 см-1. Cформулированы дисперсионные уравнения. На их основе определена возможность реализации взаимодействий o - e  o- и o - o  e-типов с идентичной эффективностью. Показано, что несмотря на низкие значения углов синхронизма 8-10 для генерации длинноволнового ТГц-излучения и пропорциональности ее синусу этого угла, экстравысокая лучевая стойкость позволяет реализовать высокоэффективную генерацию ТГц-излучения.

Скачать электронную версию публикации