Visualization and characterization of pre-breakdown processes in the volume of a ZnGeP₂ single-crystal during.pdf Введение Одними из самых эффективных твердотельных источников когерентного излучения в среднем ИК-диапазоне являются параметрические генераторы света (ПГС). Наиболее мощные ПГС в диапазоне длин волн 3.5-5 мкм созданы в настоящее время на основе нелинейно-оптических кристаллов ZnGeP2 (ZGP) [1]. ПГС на основе ZGP могут генерировать излучение со средней мощностью до 160 Вт или энергией в импульсе до 200 мДж при длительности импульсов 20-40 нс и частоте их следования от единиц герц до ста килогерц [2-4]. Однако время непрерывной работы данных ПГС при представленных выше экстремальных условиях накачки приходится намеренно ограничивать несколькими секундами во избежание оптического пробоя поверхности кристалла, обусловленного эффектами накопления. Для решения ряда практических и научных задач в настоящее время требуются источники когерентного излучения среднего ИК-диапазона. Данные источники необязательно должны обладать максимально возможными энергетическими параметрами. Для целого ряда практических применений ПГС должен обладать следующими характеристиками генерируемого излучения: средняя мощность ~ 10 Вт, импульсная энергия ~ 0.1-1 мДж при частотах следования импульсов ~ 10-100 кГц и длительности импульсов генерируемого излучения порядка нескольких десятков наносекунд. Однако данные источники должны быть способны работать в непрерывном режиме на протяжении нескольких часов подряд, а общее время работы системы до отказа должно составлять более 1000 ч. Когерентные источники излучения, обладающие данными характеристиками, могут применятся для обработки стекол и керамики, полупроводниковых материалов с помощью технологий термораскола и скрайбирования [5]. Также источники лазерного излучения с дискретным набором длин волн и/или их плавной перестройкой по спектральному диапазону актуальны для зондирования атмосферы и дистанционного определения состава веществ, мониторинга экологической обстановки [6-8], определения размеров мелкодисперсных объектов [9, 10]. Импульсные и импульсно-периодические лазеры среднего ИК-диапазона с энергией в импульсе до 1 мДж и его длительностью 10-100 нс имеют большой потенциал в области медицины, включая резонансную абляцию костных тканей [11-16] и малоинвазивную хирургию глаза [17, 18]. Целью данного исследования является изучение процессов, происходящих в ходе параметрической генерации в кристалле ZGP при накачке излучением Ho:YAG-лазера, лимитирующих время работы системы за счет эффектов накопления, приводящих к оптическому пробою кристалла ZGP. 1. Параметры исследуемых образцов и экспериментальная установка Для исследований использовался нелинейный кристалл ZGP (производства ООО «ЛОК», г. Томск) с линейными размерами 20×6×6 мм, вырезанный под углами θ = 54.5° и φ = 0°. Поглощение излучения на длине волны 2.097 мкм образца составило 0.029 см-1. Полировка рабочих поверхностей исследуемого образца производилась на полировально-доводочном станке 4-ПД-200. Начальная обработка рабочих поверхностей образца состояла в полировке на батистовом полировальнике с использованием синтетического алмазного порошка ACM 0.5/0 (средний размер зерна 270 нм). При этом съем материала составлял ~ 50 мкм, что позволяло убрать трещиноватый слой, образующийся в процессе резки кристалла на ориентированные пластинки и их предварительной шлифовки. Далее образцы дополнительно полировались на батистовом полировальнике с использованием синтетического алмазного порошка ACM 0.25/0. После этого образцы полировались на смоляном полировальнике, изготовленном из полировальной смолы с использованием синтетического алмазного порошка ACM 0.25/0. Контроль профиля рабочих поверхностей до нанесения интерференционных покрытий осуществлялся при помощи профилометра ZYGO NewView 7300, работающего на основе интерферометрии белого света (рис. 1). Были выполнены оценки следующих параметров: максимальной разницы высоты и глубины неоднородностей на поверхности (PV = 31.372 нм); среднеквадратичной глубины шероховатости (RMS = 0.442 нм). C помощью цифровой голографической камеры DHC-1,064 производства ООО «ЛОК» были получены голограммы внутреннего объема исследуемых образцов. Было проведено восстановление полученных цифровых голограмм с целью характеризации объемных дефектов. Предельное разрешение метода составляло 3 мкм (подробное описание методики цифровой голографии, в том числе применительно к визуализации дефектов в ZGP, и описание используемой голографической камеры приведены в [19-21]). В обоих образцах, используемых в данной работе, не было выявлено объемных дефектов. Рис. 1. Профиль поверхности исследуемых образцов ZGP: а - диаграмма шероховатости поверхности, б - отклонения от среднего профиля шероховатости вдоль линии (выделенной треугольниками на а) На рабочие торцы было нанесено четырехслойное просветляющее покрытие на основе соединений Nb2O5 (высокопреломляющий слой) и Al2O3 (низкопреломляющий слой) с общей толщиной 2133 нм, спектр отражения покрытия представлен на рис. 2. Напыление диэлектрических слоев производилось на вакуумно-напылительной машине Aspira-200 (производства компании «Izovak», Беларусь). Порог оптического пробоя исследуемого кристалла после процесса напыления составлял 2.35 Дж/см2 при частоте следования импульсов 10 кГц, длительности импульсов 35 нс и диаметре лазерного пучка 400 мкм по уровню e-2. Схема экспериментальной установки представлена на рис. 3. В качестве источника накачки ПГС на основе монокристалла ZGP использовался импульсно-периодический Ho:YAG-лазер. Оптическая развязка между резонатором параметрического генератора и резонатором Ho:YAG-лазера осуществлялась оптическим изолятором (ОИ). Рис. 2. Спектр отражения рабочих граней образца с нанесенным интерференционным покрытием Рис. 3. Схема установки параметрического генератора на базе монокристалла ZnGeP2 с оптической накачкой Ho:YAG-лазером: Ho:YAG-лазер; ОИ - оптический изолятор; Л - линза; М1 - входное зеркало резонатора; М2 - выходное зеркало резонатора; монокристалл ZnGeP2; ЛД - лазерный диод; О - объектив; ИМ - измеритель мощности Ho:YAG-лазер, используемый для проведения экспериментов, обладал следующими энергетическими характеристиками: максимальная средняя мощность излучения в импульсном режиме - 15 Вт, частота следования импульсов - 10 кГц, длительность импульсов по полувысоте - 26 нс. Резонатор параметрического генератора был образован плоскопараллельным зеркалом М1 с пропусканием ~ 99% на длине волны излучения накачки и отражением ~ 99% на длине волны генерируемого излучения. Плоскопараллельное зеркало М2 имело просветляющее покрытие с пропусканием ~ 99% на длине волны накачки со светоделительным покрытием с 50%-м отражением на длине волны генерации, что позволяло реализовать однопроходную накачку. В резонатор, образованный зеркалами М1 и М2, помещался монокристалл ZGP длиной 20 мм с нанесенными на рабочие торцы просветляющими покрытиями на длинах волн = 2.097 и 3.5-5 мкм (производство фирмы ООО «ЛОК» г. Томск, Россия). Боковые грани кристалла ZGP также были отполированы. Через боковые полированные поверхности кристалла ZGP производилась запись голограмм внутреннего объема монокристалла (в направлении, перпендикулярном направлению воздействующего излучения) при помощи цифровой голографической камеры. 2. Экспериментальные результаты и их обсуждение На рис. 4-6 представлены результаты, полученные при измерении энергетических характеристик ПГС на базе кристалла ZGP с накачкой излучением Ho:YAG-лазера (рис. 3). На рис. 4 продемонстрированы зависимости средней мощности излучения, генерируемого в ПГС и КПД генерации в зависимости от частоты следования импульсов излучения накачки. Во время измерений средняя мощность излучения накачки на длине волны 2.097 мкм оставалась неизменной и составляла 16.3 Вт, в то время как частота следования импульсов изменялась от 10 до 100 кГц. Стоит отметить, что стабильная генерация излучения накачки в Ho:YAG-лазере наблюдалась вплоть до частоты следования импульсов 50 кГц, при частоте следования импульсов 100 кГц отмечалась нестабильная работа лазера. Максимальное значение КПД генерации, достигнутое в эксперименте, составило 57.35% (рис. 4, б). Максимальное значение средней мощности генерируемого излучения ПГС составило 9.72 Вт при частоте следования импульсов 10 кГц (рис. 4, а). Рис. 4. Зависимости средней мощности генерируемого излучения (a) и КПД параметрической генерации (б) от частоты следования импульсов излучения накачки при средней мощности излучения 16.3 Вт С использованием имеющихся экспериментальных данных и математического обеспечения ORIGIN LAB была получена зависимость КПД по мощности излучения накачки, поглощенной в кристалле (без учета части излучения накачки, вышедшей из резонатора), от частоты следования импульсов излучения накачки. Максимальное значение КПД по поглощенной мощности составило ~ 85% (рис. 5). Рис. 5. Зависимость КПД по поглощенной мощности от частоты следования импульсов излучения накачки Далее проводились исследования энергетических характеристик в зависимости от мощности излучения накачки при частоте следования импульсов 10 кГц. Максимальное значение мощности параметрической генерации, полученное в эксперименте, составило 8.46 Вт (рис. 6). Максимальное значение КПД ~ 45.74%. Из рис. 6, в видно, что при достижении значения мощности накачки ~ 11 Вт и плотности энергии ~ 1.2 Дж/см2 КПД перестает расти и достигает точки «насыщения». Рис. 6. Зависимости мощности параметрической генерации (PПГС) (а) и КПД (б) от мощности накачки (Pо); зависимость КПД от плотности энергии (в) Проведены исследования зависимости пропускания нелинейного кристалла от мощности тестирующего излучения и от плотности энергии падающего на кристалл излучения. Полученные результаты (рис. 7) были представлены в виде зависимостей пропускания от мощности накачки и пропускания от плотности энергии падающего на кристалл излучения, частота следования импульсов изменялась от 10 до 30 кГц с шагом 10 кГц. Рис. 7. Зависимости пропускания от мощности накачки (a) и от плотности энергии падающего на кристалл излучения (б) На рис. 8 приведены восстановленные голограммы. При воздействии с мощностью до 0.7 Дж/см2 голографическая камера не зафиксировала никаких изменений, с увеличением мощности от 0.7-0.9 Дж/см2 можно наблюдать возникновение темной области по всей длине кристалла. С увеличением мощности до 1.2 Дж/см2 эта область становиться темнее, при мощности 1.2 Дж/см2 и более можно наблюдать возникновение пробойного трека. Рис. 8. Восстановленное изображение кристалла ZGP, снятое с помощью голографической камеры при воздействии на нелинейный оптический кристалл ZGP лазерным излучением разной мощности Заключение В ходе работы исследовались энергетические характеристики излучения, генерируемого в диапазоне длин волн 3.5-5 мкм параметрическим генератором света на базе нелинейного оптического кристалла ZGP при накачке излучением Ho:YAG-лазера. Анализируя зависимости, представленные на рис. 4-7, можно сделать вывод, что в пределах погрешности измерений при прохождении импульсного излучения через кристалл ZGP наблюдается уменьшение пропускания с ростом средней мощности падающего излучения и соответственно плотности энергии излучения. С уменьшением частоты данная зависимость становится более ярко выраженной. Указанные зависимости показывают, что имеет место нелинейное поглощение, которое растет с ростом импульсной энергии излучения накачки. Установленное нелинейное поглощение может являться инициатором оптического пробоя. В ходе исследования энергетических характеристик и результатов визуализации процессов, происходящих в объеме кристалла при помощи цифровой голографической камеры, удалось установить, что при увеличении плотности энергии излучения накачки свыше 1 Дж/см2 наблюдаются прекращение роста КПД параметрической генерации и потемнение канала распространения лазерного излучения в объеме кристалла. Также было показано, что при плотности энергии выше 1 Дж/см2 наблюдается уменьшение пропускания лазерного излучения (при облучении кристалла вне резонатора), что может свидетельствовать о значительном нелинейном поглощении. Проведенные исследования указывают на то, что эти процессы взаимосвязаны и нелинейное поглощение служит причиной уменьшения эффективности преобразования и может являться фактором, инициирующим порог оптического пробоя. Дальнейшие исследования, которые осуществлялись при накачке ПГС на базе ZGP излучения Ho:YAG-лазера при плотности энергии 0.9 Дж/см2 (что в 2 раза меньше плотности энергии порога оптического пробоя исследуемого кристалла ZGP), позволили получить время непрерывной работы ПГС порядка 6 мин. Причем время работы было ограничено лишь температурным режимом лазера накачки, порога пробоя не наблюдалось. А при работе ПГС при плотности энергии порядка 1.3 Дж/см2 в области, где наблюдалось сильное нелинейное поглощение, время непрерывной работы ПГС составило порядка 30 с и ограничилось эффектом оптического пробоя.

Скачать электронную версию публикации