Кристаллы β-BBO, LBO и KTP как источники миллиметрового излучения
Измерены значения показателей преломления и коэффициентов поглощения нелинейных кристаллов β-BBO, LBO и KTP в диапазоне длин волн 1-3 мм при температурах 298 и 78 К. Коэффициенты поглощения всех кристаллов на длине волны 1 мм не превышают 3.5 см-1. Их анизотропия существенно падает с ростом длины волны более 1 мм, в то время как на длинах волн более 2 мм она практически исчезает. С охлаждением абсолютные значения коэффициентов поглощения падают в этом диапазоне до уровня 0.2 см-1. На основе измеренных показателей преломления проведено численное моделирование кривых коллинеарного фазового синхронизма, которые демонстрируют возможность преобразования частоты лазерного излучения ИК-диапазона (1.064 мкм) в миллиметровый диапазон.
?-BBO, LBO, AND KTP NONLINEAR CRYSTALS AS A SOURCE OF THE MILLIMETER-WAVES RADIATION.pdf Введение Ослабление излучения субтерагерцового диапазона 0.3-0.1 ТГц (1-3 мм) в атмосфере, исключая полосы поглощения паров воды в окрестности 0.922 и 1.638 мм (0.325 и 0.183 ТГц), составляет единицы-десятки дБ/км при слабой зависимости от погодных условий [1, 2]. С одной стороны, эти обстоятельства позволяют определять содержание малых газовых компонент атмосферы методом дифференциального поглощения по изолированным линиям поглощения в окнах прозрачности с использованием измерительных трасс длиной от долей да единиц километров. С другой стороны, на сегодняшний день не существует компактных перестраиваемых по частоте источников волн миллиметрового диапазона с высокими эксплуатационными характеристиками, спектральной селективностью и яркостью, пригодных для внелабораторных применений. Широко используемые для генерации такого излучения полупроводниковые нелинейные кристаллы исчерпали свои возможности в силу невысокой лучевой стойкости и ограниченной апертуры изготавливаемых рабочих элементов [3]. Быстрый прогресс в развитии ростовых технологий открывает новые возможности в разработке источников излучения миллиметровых волн методами нелинейной кристаллооптики, что обусловливает необходимость уточнения и/или доопределения физических свойств и отбора наиболее эффективных кристаллов из числа известной и новой номенклатуры. Общей особенностью оксидных нелинейных кристаллов является высокая лучевая стойкость, которая может с избытком скомпенсировать невысокие нелинейные свойства по отношению к полупроводниковым кристаллам. Оксидные кристаллы бета-бората бария (β-BaB2O4, далее BBO), трибората лития (LiB3O5, далее LBO) и титанил-фосфата калия (KTiOPO4, далее KTP) имеют комплексные структуры (соответственно 42, 36 и 64 атома в элементарной кристаллической ячейке), проявляющиеся в сложных спектрах фононного поглощения в терагерцовом (ТГц) диапазоне [4- 6]. Измерения с использованием неполяризованного излучения показали высокий коэффициент поглощения в коротковолновой части ТГц-диапазона. Предположительно именно поэтому они не рассматривались в качестве привлекательных нелинейных сред для генерации ТГц- и субтерагерцового излучений. Результаты немногочисленных исследований физических свойств кристаллов BBO, из числа ответственных за эффективность генерации субтерагерцового излучения как при комнатной температуре, так и при охлаждении до температуры 77 К, показали перспективность их применения для генерации излучения в диапазоне 1-3 мм (0.3-0.1 ТГц) [7-9]. Такие источники могут быть использованы, в частности, для создания систем мониторинга фоновых концентраций малых газовых компонент атмосферы из-за слабого ослабления аэрозолями. Свойства кристаллов LBO в этой области спектра рассмотрены в [10-12], а кристалла KTP - в [13, 14]. В сравнении с полупроводниковыми кристаллами оксидные кристаллы BBO, LBO и KTP характеризуются невысокими коэффициентами квадратичной нелинейной восприимчивости и значительно более высокой лучевой стойкостью, что делает их конкурентоспособными по отношению к первым. Рекордно высокая лучевая стойкость кристаллов LBO, достигающая десятков ГВт/см2 [3], предельно низкие оптические потери в окне прозрачности 10-5 см-1 и рекордно большие размеры производимых рабочих элементов (до 65 мм в диаметре [5]) делают их столь же эффективными в генерации ТГц-излучения по отношению ко всем известным кристаллам. В данной работе исследованы оптические свойства и возможности генерации ТГц-излучения в кристаллах бета-бората бария (β-BaB2O4 или BBO), трибората лития (LiB3O5 или LBO) и титанил-фосфата калия (KTiOPO4 или KTP) при температурах 283 и 78 К. Образцы и методы исследования Образцы кристаллов BBO представляют собой оптически подготовленные плоскопараллельные пластинки размерами 10×10×2 мм. Описание технологии их выращивания можно найти в [15]. Экспериментальное исследование оптических свойств в исследуемом диапазоне проведено с использованием импульсного ТГц-спектрометра собственного изготовления, укомплектованного заливным криостатом с охлаждением до температуры 77 К. Исследуемый диапазон спектра лежит в области 0.3-0.1 ТГц (1-3 мм), спектральное разрешение - 10 ГГц, а максимум динамического диапазона регистрирующей системы находится в окрестности 0.3 ТГц и составляет не менее 70 дБ. Подробное описание экспериментальной установки можно найти в работе [14]. Для удобства в тексте используются следующие условные обозначения взаимодействующих волн: в двухосных кристаллах «f» - быстрая и «s» - медленная волны; в одноосных «o» - обыкновенная и «e» - необыкновенная волны. В результате исследования показано, что в интересующем нас диапазоне длин волн у всех кристаллов практически отсутствует дисперсия показателей преломления. Таким образом, их значения приводятся одной величиной для длины волн 1 мм с условием, что в диапазоне 1-3 мм это значение не выходит за пределы, указанные символом «±». Экспериментальные результаты и их обсуждение Кристалл BBO Кристалл BBO относится к отрицательным одноосным кристаллам точечной группы симметрии 3m. Измеренные значения компонент показателя преломления в мм-диапазоне no = 2.85±0.02, ne = 2.62±0.01 при температуре 298 К и no = 2.79±0.02, ne = 2.60±0.01 при температуре 78 К. Спектр коэффициентов поглощения приведен на рис. 1, а. При температуре 298 К на длине волны 1 мм они принимают значения αo 1.6 см-1, αe 0.7 см-1 и уменьшаются с охлаждением до 78 К до значений αo 0.8 см-1, αe 0.2 см-1. Установлено, что коллинеарный фазовый синхронизм II типа (oe-o) возможен для генерации разностной частоты (ГРЧ) в мм-диапазон при накачке излучением на длине волны 1.064 мкм при обеих температурах (рис. 2, а). Кристалл LBO Кристалл LBO принадлежит к точечной группе симметрии mm2 и является двухосным отрицательным кристаллом. Порядок обозначения осей следующий: X, Y, Z a, c, b. Измеренные значения компонент показателя преломления в мм-диапазоне составили: nX = 2.62±0.01, nY = 2.7±0.01, nZ = 2.27±0.01 при температуре 298 К и nX = 2.24±0.01, nY = 2.32±0.01 и nZ = 2.34±0.01 при температуре 78 К. Спектры коэффициентов поглощения приведены на рис. 1, б. При температуре 298 К на длине волны 1 мм они принимают следующие значения: αX 2.6 см-1, αY 1.4 см-1 и αZ 0.3 см-1. С охлаждением до 78 К значения коэффициентов поглощения падают до уровня шумов спектрометра, т.е. менее 0.2 см-1. Заметное снижение анизотропии показателя преломления при охлаждении приводит к квазиизотропному состоянию кристалла для мм-волн. В результате условия коллинеарного фазового синхронизма перестают выполняться. Кривые фазового синхронизма процесса ГРЧ типа s - f f в принципиальной плоскости XZ при температуре 298 К приведены на рис. 2, б. На кристалл LBO следует обратить особое внимание. Современные технологии позволяют выращивать монокристаллические образцы LBO весом до 1.5 кг. В результате, несмотря на предельно низкий коэффициент нелинейной восприимчивости второго порядка d32 = 0.85 пм/В, в высококачественном образце сантиметровой длины диаметром 65 мм было получено до 360 Дж в третьей гармонике (КПД ~ 80 %) [5]. Рис. 1. Коэффициенты поглощения кристаллов BBO (a), LBO (б) и KTP (в) в миллиметровом диапазоне при различных температурах Рис. 2. Кривые фазового синхронизма для процесса генерации разностных частот при накачке лазерным излучением с длиной волны 1.064 мкм. Сплошные кривые - 298 К, штриховые - 78 К Кристалл KTP Двухосный кристалл KTP относится к кристаллам точечной группы симметрии mm2. Порядок обозначения оптических осей: X, Y, Z a, b, c. Измеренные значения показателей преломления в мм-диапазоне составили: nX = 3.27±0.02, nY = 3.32±0.02, nZ = 3.97±0.02 при температуре 298 К и nX = 3.21±0.02, nY = 3.25±0.02, nZ = 3.78±0.02 при температуре 78 К. Значения коэффициентов поглощения αX, αY лежат в области предела чувствительности регистрирующей системы для образцов данной толщины. Можно утверждать, что их значения не превышают 0.2 см-1 при температуре 298 К и падают с охлаждением. При этом αZ 3.4 см-1 при температуре 298 К и находится на уровне 1.5 см-1 при температуре 78 К. Рассчитанные кривые фазового синхронизма процесса ГРЧ типа s - f f в плоскости XZ приведены на рис. 2, в. Условия симметрии Клейнмана не выполняются для KTP и эффективный нелинейный коэффициент может быть оценен как Отсюда следует, что ГРЧ в этом кристалле предпочтительнее при больших углах θ из-за большего нелинейного коэффициента и меньших оптических потерь. Заключение Проведено изучение оптических свойств нелинейно-оптических кристаллов BBO, LBO и KTP в диапазоне длин волн 1-3 мм при температурах 298 и 78 К. Показано, что коэффициенты поглощения всех кристаллов на длине волны 1 мм не превышают значения 3.5 см-1 и падают с охлаждением без признаков наличия фазовых переходов. Анизотропия коэффициентов поглощения кристаллов значительно растет с уменьшением длины волны менее 1 мм, в то время как на длинах волн более 2 мм она практически исчезает. С охлаждением абсолютные значения коэффициентов падают до уровня ниже 0.2 см-1. На основе измеренных показателей преломления проведено численное моделирование кривых коллинеарного фазового синхронизма, которые демонстрируют теоретическую возможность преобразования лазерного излучения ИК-диапазона (1.064 мкм) в миллиметровый диапазон. С нашей точки зрения это доказывает целесообразность использования данных сред в качестве компактных источников терагерцового излучения при интенсивной лазерной накачке. Кристаллы BBO и KTP демонстрируют превосходную температурную стабильность преобразования частоты, в отличие от LBO. Однако LBO может применяться для изготовления преобразователей на базе эффекта оптического выпрямления фемтосекундного лазерного излучения, в том числе в виде периодических структур. Мы предполагаем, что наиболее перспективным преобразователем является кристалл KTP, поскольку имеет наибольшие нелинейные коэффициенты в совокупности с превосходной температурной стабильностью.
Ключевые слова
миллиметровые волны,
нелинейные кристаллы,
показатель преломления,
коэффициент поглощения,
генерация разностных частот,
millimeter waves,
nonlinear crystals,
refractive index,
absorption coefficient,
difference frequencies generationАвторы
Николаев Назар Александрович | Институт автоматики и электрометрии СО РАН | к.т.н., ст. науч. сотр. ИАиЭ СО РАН и ИЛФ СО РАН | Nazar@iae.nsk.su |
Ланский Григорий Владимирович | Институт мониторинга климатических и экологических систем СО РАН | к.ф.-м.н., ст. науч. сотр. ИМКЭС СО РАН | lansky@yandex.ru |
Андреев Юрий Михайлович | Институт мониторинга климатических и экологических систем СО РАН; Институт сильноточной электроники СО РАН; Национальный исследовательский Томский государственный университет | д.ф.-м.н., гл. науч. сотр. ИМКЭС СО РАН, ведущ. науч. сотр. ИСЭ СО РАН и НИ ТГУ | yuandreev@yandex.ru |
Ежов Дмитрий Михайлович | Национальный исследовательский Томский государственный университет | аспирант НИ ТГУ | ezhov_dm@mail.ru |
Креков Михаил Георгиевич | Национальный исследовательский Томский государственный университет | магистрант НИ ТГУ | mikhailkrekov@gmail.com |
Лисенко Андрей Александрович | Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН | к.ф.-м.н., ст. науч. сотр. ИОА СО РАН | Lisenko@iao.ru |
Всего: 6
Ссылки
Yang Y., Shutler A., and Grischkowsky D. // Opt. Express. - 2015. - V. 19. - No. 9. - P. 8830- 8838.
Kim G.-R., Jeon T.-I., and Grischkowsky D. // Opt. Express. - 2017. - V. 25. - No. 21. - P. 25422- 25434.
Nikogosyan D.N. Nonlinear Optical Crystals: A Complete Survey. - N.Y.: Springer Verlag, 2005. - 428 p.
Shui-Li Hong // Proc. SPIE - 1991. - V. 1437.
Kokh A., Kononova N., Menneret G., et al. // J. Crystal Growth. - 2010. - V. 312. - P. 1774-1778.
Torjman I. and Guitel J.C. // Z. Kristallographie. - 1974. - V. 139. - P. 103-115.
Nikolaev N.A., Andreev Y.M., Antsygin V.D., et al. // J. Phys.: Conf. Series. - 2018. - V. 951. - No. 1. - Art. No. 012003. - P. 1-4.
Antsygin V.D., Mamrashev A.A., Nikolaev N.A., et al. // Opt. Commun. - 2013. - V. 309. - P. 333-337.
Lubenko D.M., Lansky G.V., Nikolaev N.A., et al. // Proc. SPIE. - 2019. - V. 11322. - Art. No. 113222C.
Кононова Н.Г., Кох А.Е., Кох К.А.и др. // Изв. вузов. Физика. - 2016. - Т. 59. - № 8. - С. 164- 171.
Nikolaev N.A., Andreev Y.M., Kononova N.G., et al. // Quant. Electron. - 2018. - V. 48. - P. 19-21.
Potaturkin O.I., Antsygin V.D., Mamrashev A.A., et al. // EPJ Web of Conf. - 2018. - V. 195. - P. 06012.
Mamrashev A., Nikolaev N., Antsygin V., et al. // Crystals. - 2018. - V. 8. - P. 310.
Wang C.-R., Pan Q.-K., Chen F., et al. // Infrared Phys. Tech. - 2019. - V. 97. - P. 1-5.
Kokh A., Vlezko V., Kokh K., et al. // J. Cryst. Growth. - 2012. - V. 360. - P. 158-161.