Selection of optimal phase matching conditions for semiconductor nonlinear crystals cascaded pump at 2 ?m.pdf Введение Нерешенная задача создания источника когерентного излучения с возможностью плавной перестройки длины волны в широкой части среднего ИК-диапазона является одним из определяющих факторов, сдерживающим развитие лазерных газоанализаторов [1, 2] для решения прикладных задач. В настоящее время подобные исследования проводятся ведущими научными коллективами в России [3-5] и за рубежом [6, 7]. Одним из таких устройств является оптико-акустический газоанализатор LaserBreeze (Россия, ООО «Специальные технологии») [3], в основе которого лежит схема комбинированного параметрического генератора света (ПГС) [8]. Идея системы заключается в разделении всего диапазона длин волн 2.5-11 мкм на три поддиапазона и использовании трех кристаллов в качестве составного нелинейного элемента. ПГС на основе оксидного нелинейного кристалла (НК) ниобата лития LiNbO3 (LN) c регулярной доменной структурой (РДС) веерного типа обеспечивал перестройку длины волны в спектральном диапазоне 2.5-4.4 мкм [9]. Перестройка длины волны в двух поддиапазонах 4.2-5.71 и 5.7-10.8 мкм была реализована в ПГС на основе двух кристаллов HgGa2S4 (HGS) [10]. При этом переключение кристаллов с разной ориентацией по полярному углу осуществлялось в одном резонаторе. Использование таких кристаллов позволило минимизировать диапазон углового перемещения каждого из них, в результате уменьшить длину резонатора и, как следствие, увеличить эффективность преобразования частоты. Таким образом, авторы [4] реализовали сложную конфигурацию нескольких ПГС, основанных на разных типах нелинейных кристаллов, с одним источником накачки. В качестве источника накачки использован Nd:YLF-лазер (TECH-1053 Advanced, Россия) с длиной волны 1.053 мкм, длительностью импульсов генерации 5-7 нс, частотой следования импульсов до 2 кГц и максимальной энергией в импульсе 1 мДж. Описанная система ПГС имеет ряд недостатков, основная часть которых связана с резонатором ПГС с двумя кристаллами HGS, поскольку при переключении нелинейного элемента очень сложно обеспечить оптимальную настройку резонатора. Как описано в работе [11], в кристалле HGS при взаимодействии с лазерным излучением накачки на длине волны в области 1 мкм появляются помутнения, истинная природа которых на данный момент не изучена. Большинство авторов относят их природу к химическим реакциям, протекающим при облучении интенсивным лазерным излучением. Такое поведение НК приводит к увеличению уровня поглощения и уменьшению эффективности преобразования частоты. Из-за низкого коэффициента теплопроводности кристалла HGS [12] существует ограничение на частоту следования импульсов накачки. При частотах следования выше 1 кГц наблюдалось резкое уменьшение лучевой стойкости. Поскольку в устройстве, описанном в работе [4], применяется принцип оптико-акустической спектроскопии, то из-за особенностей конструкции детектора резонансная частота составляла 1700-1750 Гц, поэтому и частота следования импульсов ПГС должна быть кратна резонансной частоте. Тем не менее в настоящей работе частота следования импульсов ПГС составила только ~ 850 Гц, что кратно частоте первой субгармоники резонансной частоты детектора. На сегодняшний день так и не получен ответ на вопрос, какой же из существующих полупроводниковых нелинейных кристаллов является оптимальным для создания на его основе ПГС, генерирующего когерентное излучение в спектральном диапазоне 2-12 мкм, с последующим применением в приборах медицинского и других назначений. Основные исследования полупроводниковых кристаллов с накачкой в области ~ 1 мкм проводятся на частотах следования импульсов ~ 100 Гц и ниже, и даже в этих случаях через непродолжительный промежуток времени наблюдается повреждение/разрушение НК [13]. Многие НК с диапазоном прозрачности до 10-12 мкм имеют значительный уровень поглощения (линейного и нелинейного) или же вовсе не прозрачны для излучения с длиной волны ~ 1 мкм [12]. Именно поэтому для решения рассматриваемой проблемы предлагается использовать в качестве источника накачки не Nd:YAG/Nd:YLF-лазеры с длиной волны ~ 1 мкм, а лазерные источники с длиной волны ~ 2 мкм, такие, как Ho:YAG-лазер и ПГС на основе оксидных нелинейных кристаллов. Данная работа посвящена модельным исследованиям перестроечных характеристик ПГС на основе наиболее перспективных НК, таких, как СdSe, BaGa4Se7 (BGSe), BGGSe, HGS и ZGP, при накачке излучением с длиной волны 1.8-2.2 мкм. Постановка задачи Лазерные источники с длиной волны 1.8 мкм и более, генерирующие импульсы наносекундной длительности с высокой энергией, являются оптимальными источниками для накачки ПГС-систем на основе полупроводниковых кристаллов [14, 15]. Альтернативой лазерного источника накачки является ПГС на основе оксидного нелинейного кристалла с РДС [15]. Как показано в ряде работ [16, 17], ПГС на основе кристаллов LN с РДС (PPLN) и KTiOPO4 (PPKTP) зарекомендовали себя как высокоэффективные, технологичные с высокими выходными энергетическими характеристиками. Поскольку длинноволновая часть спектра пропускания оксидных кристаллов не превышает ~ 4.5 мкм [12], то обеспечить весь диапазон перестройки 2.5-11 мкм на основе кристаллов данного класса невозможно, но осуществима реализация высокоэффективного ПГС-диапазона ~ 1.8-2.2 мкм с накачкой доступными лазерными системами в области ~ 1 мкм. Такой подход называется каскадной параметрической генерацией [15, 18]. Основным недостатком таких генераторов является низкий параметр качества выходного излучения M2, значение которого достигало 20 [18, 19] по сравнению с лазерными источниками, а также большая спектральная широкая линия излучения ~ 65 см-1 [19]. Отметим, что существуют селективные элементы, позволяющие существенно уменьшить спектральную ширину линии генерации ПГС без больших потерь выходной мощности/КПД [20, 21], а использование дополнительно затравочных лазеров дает возможность значительно улучшить качество пучка выходного излучения [22]. Преимуществом каскадной схемы накачки, по сравнению с указанными ранее лазерными источниками накачки, является возможность выбора оптимальной длины волны для последующей накачки полупроводникового НК. Основные характеристики рассматриваемых полупроводниковых НК на длине волны 2.128 мкм приведены в таблице. Как видно из таблицы, наибольшей теплопроводностью и нелинейностью обладает кристалл ZGP. Несмотря на выдающиеся характеристики данного кристалла, получение образца высокого оптического качества является сложной ростовой задачей, что приводит к высокой стоимости и труднодоступности данного НК. Стоит отметить, что из-за возрастания уровня многофотонного поглощения кристалла в области выше 9 мкм количество работ, в которых описывается генерация излучения ПГС выше этой границы, крайне ограничено. Наибольший диапазон прозрачности из перечисленных НК имеют кристаллы СdSe, BGSe, BGGSe. Основные характеристики НК СdSe, BGSe, BGGSe, HGS и ZGP Название НК Диапазон прозрачности по уровню «0», мкм deff, пм/В при 8.5 мкм Теплопроводность Вт/(м × К), Вт/(м × К), СdSe 0.70-24.00 [12] ~ 19 6.9 6.2 BGSe 0.47-18.00 [23] ~ 20 0.56-0.74 BGGSe 0.58-18.00 [24] ~ 27 - ZGP 0.74-12.00 [12] ~ 73 36 35 HGS 0.55-13.00 [25] ~ 21 2.31-2.5 На рис. 1 приведены расчетные угловые перестроечные характеристики ПГС на основе указанных в таблице кристаллов. Типы взаимодействий подбирались таким образом, чтобы диапазон перестройки длины холостой волны в среднем ИК-диапазоне был максимально широким. Зависимости, приведенные на рис. 1, получены с использованием дисперсионных зависимостей работ [26-30]. Рис. 1. Угловая перестройка длины волны излучения ПГС (сигнальной и холостой) на основе кристаллов HGS, BGSe, BGGSe, ZGP и CdSe при накачке излучением с длиной волны 2.128 мкм Как видно из рис. 1, при взаимодействии первого типа в кристаллах BGSe, BGGSe возможна генерация широкополосного излучения (континуума), что неприменимо для поставленной в данной работе задачи, однако может быть использовано для других приложений, в том числе для разработки систем специального назначения. Для генерации излучения в диапазоне 12-20 мкм в кристалле CdSe диапазон угловой перестройки составляет всего 2.5º, что означает генерацию континуума в этой области длин волн. Таким образом, рабочий спектральный диапазон ПГС на основе CdSe не превышает 12 мкм для поставленных спектроскопических задач. Характер поведения перестроечной характеристики кристалла ZGP схож с кристаллом CdSe. Для кристалла ZGP рабочий диапазон перестройки длины холостой волны не превышает 10 мкм при данном типе взаимодействия. В случае кристалла HGS для генерации излучения в спектральном диапазоне 4-13 мкм необходимо обеспечить перестройку по внутреннему углу примерно на 10. При этом длина резонатора ПГС будет меньше, чем для кристаллов ZGP и CdSe. Однако спектральная ширина линии излучения будет значительно больше. При выборе оптимального кристалла для генерации излучения в спектральном диапазоне до 12 мкм важным параметром является коэффициент эффективной нелинейной восприимчивости deff. На рис. 2 показаны его зависимости от длины холостой волны ПГС на основе кристаллов HGS, BGGSe, ZGP и CdSe при накачке излучением с длиной волны 2.128 мкм. Кривые построены на основании уравнений и компонент тензоров квадратичной нелинейности, опубликованных в работах [12, 31]. Рис. 2. Зависимость коэффициента deff от длины холостой волны ПГС на основе кристаллов HGS, BGGSe, ZGP и CdSe при накачке излучением с длиной волны 2.128 мкм На рис. 2 видно, что наибольшим коэффициентом нелинейности в диапазоне от 5 до 8 мкм обладает кристалл ZGP, а наименьшим в диапазоне от 8 до 20 мкм - CdSe. При генерации излучения с длиной волны 8.5 мкм коэффициент эффективной нелинейной восприимчивости кристалла HGS составляет ~ 21 пм/В, а для кристалла BGGSe ~ 27 пм/В. Заключение Как показало данное исследование, кристалл ZnGeP обладает наибольшим коэффициентом нелинейной восприимчивости и теплопроводности среди рассмотренных кристаллов, однако его диапазон прозрачности сверху ограничен 12 мкм. В реальных экспериментах по импульсной (наносекундной длительности) параметрической генерации света длина холостой волны обычно ограничивается сверху значением 9 мкм. Это связано с резким увеличением уровня линейного и нелинейного поглощения в кристалле. Кристалл CdSe обладает наибольшим диапазоном прозрачности (до 24 мкм), но имеет наименьший коэффициент эффективной нелинейности среди перечисленных. Кристалл BGGSe является новым перспективным нелинейным кристаллом с широким диапазоном прозрачности (длинноволновая граница 18 мкм), но при использовании источника накачки с длиной волны 2.128 мкм угловая ширина фазового синхронизма составит ~ 2, что неприемлемо для поставленной задачи. Тем не менее он может быть применен, например, для создания систем специального назначения. Суммируя вышесказанное, можно сделать вывод, что по совокупности физических свойств кристалла BGGSe длинноволновая граница диапазона возможной перестройки длины холостой волны параметрического генератора света на его основе находится в пределах 12-13 мкм, а эффективная нелинейная восприимчивость составляет ~ 20 пм/В. Кристалл HGS является одним из оптимальных кристаллов для создания ПГС с накачкой в области ~ 2.1 мкм в рамках поставленной задачи.

Скачать электронную версию публикации