Дисперсия показателей преломления нелинейных кристаллов твердых растворов и параметры, влияющие на эффективность преобразования частоты лазерного излучения Ланский Григорий Владимирович

Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Ланский Григорий Владимирович. Дисперсия показателей преломления нелинейных кристаллов твердых растворов и параметры, влияющие на эффективность преобразования частоты лазерного излучения : диссертация... кандидата физико-математических наук : 01.04.05 Томск, 2007 132 с. РГБ ОД, 61:07-1/1029

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА I. Нелинейные оптические процессы: основные понятия 18

1.1. Физические основы процесса генерации второй гармоники 18

1.2. Физические основы процесса параметрической генерации света 22

1.2.1. Математическая модель ПГС с импульсной накачкой 24

1.2.2. Анализ возможности выполнения условий фазового синхронизма 28

Выводы по главе 1 28

ГЛАВА II. Модельные исследования трехчастотных процессов параметрического преобразования частоты 29

2.1. Влияние величины волновой расстройки на эффективность преобразования частот... 31

2.2. Расчёт допустимых отклонений и вариаций состава нелинейных кристаллов твердых растворов 33

2.3. Оценки условий синхронизма и коэффициента качества для процесса генерации второй гармоники в объеме двухосных нелинейных кристаллов 46

2.4. Оценки угловой ширины синхронизма для трехчастотных процессов преобразования частоты 59

ГЛАВА III. Экспериментальные исследования 67

3.1. Линейные и нелинейные свойства кристаллов AgGaS2 и твердого раствора AgGaGeS4 67

3.1.1. Анализ условий фазового синхронизма 70

3.1.2. Экспериментальное исследование условий фазового синхронизма 75

3.2. Исследование линейных и нелинейных оптических свойств нелинейных кристаллов HgGa 86

3.3. Дисперсионные свойства нелинейных кристаллов твердых растворов LiIn(S1.xSex)2, л=0,1 100

3.3.1. Линейные и нелинейные оптические свойства кристаллов LiInS2 102

3.3.2. Линейные и нелинейные оптические свойства кристаллов IiInSe2 108

3.4. Дисперсия показателей преломления нелинейных кристаллов твердых растворов LiIn(Se,.A)2 112

Выводы по главе 3 117

Заключение 118

Благодарности 120

Библиографический список использованной литературы 121

Приложения 130

Физические основы процесса параметрической генерации света
Анализ возможности выполнения условий фазового синхронизма
Расчёт допустимых отклонений и вариаций состава нелинейных кристаллов твердых растворов
Исследование линейных и нелинейных оптических свойств нелинейных кристаллов HgGa

Введение к работе

Актуальность темы

. Одним из самых перспективных путей решения проблемы создания источников когерентного излучения, работающих в пределах различных участков спектра, является применение методов нелинейной кристаллооптики. Выбор нелинейных кристаллов твердых растворов (НКТР) AgGaGe^n-*), LiIn(Si-xSe^2, LiGa(Si__xSe_x)2 и Hgi-_xC4Ga2S4 в качестве объектов исследования обусловлен традиционным интересом к нелинейным кристаллам (НК), пригодным для эффективного параметрического преобразования частоты существующих лазеров с высокими энергетическими и эксплуатационными характеристиками, как в средний ИК-диапазон, так и в его пределах. Именно в среднем ИК-диапазоне успешно функционирует большое количество прикладных оптических систем гражданского и специального назначения, возможно создание новых перспективных систем. К их числу можно отнести лидары различного назначения для мониторинга природных и техногенных сред. Общей привлекательной характеристикой исследуемых НКТР является широкий диапазон прозрачности от 0,3-0,6 мкм до 12-15 мкм, позволяющий использовать в качестве источников накачки широко распространенные нано- и пикосекундные Nd:YAG- {Я = 1,064 мкм), фемтосекундные Ti:Sapphire- (Я = 0,7-5-1,1 мкм), Cr:Forsterite- (Я = 1,25-5-1,32 мкм) лазеры и перекрывать спектром преобразованных частот все основные окна прозрачности атмосферы.

Важной характеристикой рассматриваемых НКТР является положение коротковолновой границы спектра прозрачности в области длин волн 0,35-0,6 мкм, минимизирующее нелинейное двухфотонное поглощение для излучения накачки на длинах волн в области 1 мкм, а значит, и его влияние на эффективность параметрического преобразования частот. Кроме того, НКТР Hgi_^Cd_xGa2S4 претендуют на лидирующее положение в эффективности различных типов параметрического преобразования частоты в пределах среднего ИК-диапазона. Новые технологические успехи в выращивании хорошо известных одноосных НК AgGaS2, т.е. НКТР AgGaGe_xS2(i+_x) при х = 0, позволяют пересмотреть их роль в прикладной нелинейной оптике. В свою очередь двухосные НКТР AgGaGeS4 (AgGaGe^n-*) при х = 1) не только расширяют возможности НК AgGaS2 в параметрическом преобразовании частоты

5 наносекундных импульсов, но и наряду с двухосными НКТР LiIn(Si__xSe_x)2 и LiGa(Si__xSe_x)2 имеют оригинальные возможности в параметрическом преобразовании частоты сверхкоротких (фемтосекундных) импульсов излучения с сохранением или даже с компрессией длительности импульсов накачки.

Таким образом, исследуемые НКТР являются или, по крайней мере, могут быть конкурентоспособными по целому ряду применений в качестве параметрических преобразователей частоты (ППЧ) по отношению к широко используемым НК. К числу последних можно отнести высокоэффективные оксидные и полупроводниковые НК CdGeAs2, ZnGeP2, AgGaSe2 и TbAsSe3. Длинноволновая граница спектра прозрачности первых ограничена длинами волн 4-5 мкм, а вторые — непрозрачны или имеют высокие линейные и нелинейные оптические потери на длинах волн Nd :YAG, Ті :Sapphire, Cr:Forsterite и других мощных твердотельных лазеров ближнего ИК-диапазона.

Для адекватного описания процессов ППЧ в НКТР необходимо знать оптические свойства, состав и его вариации, уметь определять длины рабочих элементов и условия работы ППЧ на их основе, при которых достигается максимальная эффективность преобразования частоты. Однако, несмотря на пристальное внимание к модельным и экспериментальным исследованиям оптических свойств НКТР, а также параметров и: характеристик ППЧ на их основе, в научной литературе имеется много расхождений в результатах таких исследований. Исследования, связанные с различными аспектами;, наличия вариаций состава исследуемых НКТР, в научной литературе освещены слабо. Совокупность отмеченных обстоятельств определяет актуальность темы и обусловливает необходимость проведения дальнейших исследований в отмеченных направлениях.

Цель и задачи исследования

Цель работы заключается в изучении оптических свойств НКТР, в определении параметров рабочих элементов и условий работы параметрических преобразователей частоты на их основе, при которых достигается максимальная эффективность преобразования частоты.

Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:

1. Исследование оптических свойств НКТР AgGaGe^n*) с х = 0 и 1, LiIn(Si-*Se.*)2, IlGa(St-c_x)2 и Hgt__jrCd,Ga2S4CX = 0-И.

Модельные исследования трехчастотных процессов параметрического преобразования частоты, а именно, условий фазового синхронизма и потенциальных эффективностей преобразователей частоты на основе исследуемых НКТР.
Определение длины рабочих элементов, при которых достигается максимальная эффективность параметрического преобразования частот с учетом наличия линейных по длине вариаций состава.
Экспериментальное исследование параметрических преобразователей частоты: генераторов гармоник СОг и Er³⁺:Cr³⁺:YSGG^a3epOB и параметрического генератора света (ПГС) с накачкой излучением Nd:YAG-Aa3epa.

Методы исследования

Поставленные цели достигались путем использования комплексного подхода -теоретических и экспериментальных методов исследования. При теоретическом исследовании трехчастотных процессов ППЧ основным методом являлось численное моделирование. Наряду с этим для большей физической наглядности в некоторых оправданных случаях использовались аналитические решения и оценочные расчеты. Экспериментальные методы исследования включали в себя измерение спектральных характеристик НК и преобразованного по частоте излучения, а также энергетических, пространственно-временных и пространственно-угловых характеристик последних методами фотоэлектрической, пирометрической и фотографической регистрации. >

На основе теории трехчастотных процессов ППЧ определены, в частности, допустимые отклонения состава НКТР, приводящие к падению эффективности преобразования частот до приемлемого уровня.

Путем аналитического решения определены длины рабочих элементов, при которых достигается первый максимум в эффективности генерации второй гармоники (ГВГ) при наличии линейных по длине вариаций состава.

На основе оценочных расчётов определены спектральные зависимости угловой ширины синхронизма в одноосных НК, условия фазового синхронизма и коэффициент качества во всем объеме двухосных НКТР.

На базе экспериментального исследования условий фазового синхронизма определены, в частности, дисперсионные свойства нелинейных кристаллов тиогаллата ртути как функции положения коротковолновой границы спектра прозрачности.

7 Основные научные положения, выносимые на защиту:

Определенная связь между отклонением состава НКТР от ожидаемого значения и эффекпгвностью параметрического преобразования частоты позволяет рассчитать допустимые отклонения состава, при которых обеспечивается сохранение эффективности преобразования частоты на допустимом уровне.

Определенная связь между наличием линейной по длине вариации состава НКТР и эффективностью процесса ГВГ позволяет рассчитать длину, при которой достигается первый максимум в эффективности ГВГ.

Отклонения в стехиометрии одноосных кристаллов HgGa2S4, связанные с увеличением доли HgS, приводят к сдвигу коротковолновой границы спектра прозрачности и изменению дисперсионных свойств.

Аппроксимации дисперсии показателей преломления в виде уравнений Сельмейера с определенными числовыми коэффициентами позволяют рассчитать углы фазового синхронизма для ГВГ в двухосном кристалле ІІІпБег в диапазоне длин волн 9мкм полосы излучения СОг-лазера с погрешностью, не превышающей ± 12'.

Личный вклад соискателя

Диссертация является обобщением работ автора по исследованию оптических свойств НКТР LiIn(Si-*Se.x)2, LiGa(Si_^Se_x)2, Hgi__xCd^Ga2S4 и AgGaGe^p+j), а также; процессов параметрического преобразования частоты в них и различных аспектов использования полученных результатов в действующих макетах преобразователей частоты за период с 2002 по 2007 г. В исследованиях, представленных в диссертации, соискателю принадлежит постановка научных задач, разработка алгоритмов, составление пакета прикладных программ и проведение модельных исследований. Комплексный характер, широкий круг и аппаратурная сложность рассматриваемых и решаемых вопросов предопределила необходимость коллективной работы. Так, ряд экспериментальных исследований проводился на уникальных лабораторных стендах в различных физических научно-образовательных центрах России и Китайской Народной Республики с участием разработчиков лазеров при непосредственном методическом руководстве соискателя. Анализ и интерпретация полученных данных, а также выводы сделаны автором по итогам обсуждений результатов с научным руководителем.

8 Научная новизна

Предложен алгоритм оценки допустимых отклонений состава НКТР от ожидаемого состава, на его основе впервые сформулированы требования к точности контроля состава для использования в ППЧ различных типов. Рассчитаны спектральные области, оконтуренные изолиниями допустимых отклонений состава, в пределах которых падение эффективности параметрического преобразования частоты не превышает приемлемых фиксированных значений. На примере НКТР LiIn(Si_^Se_x)2 и LiGa(Si-*Se_x)2 длиной 1 см показано, что падение эффективности трехчастотных процессов параметрического преобразования частоты, не превышающую 50%, имеет место при отклонении состава на величину, не более десятой доли процента.
Предложено соотношение, определяющее длину НКТР, при которой достигается первый максимум в эффективности ГВГ при наличии линейных по длине вариаций состава. Определены условия его использования.
Установлено, что вариации в пределах 10%-го содержания исходного, химического компонента HgS в составе НК HgGa2S4, характеризующихся коэффициентом оптических потерь в спектральной области максимальной прозрачности не выше 0,1 см^-1, приводят к вариации углов фазового синхронизма для ГВГ СОг-лазеров на величину до 1,5. Увеличение угла фазового синхронизма для ГВГ линии излучения СОг-лазера на длине волны накачки X - 9,55 мкм в НК HgGa2S4 с ростом температуры в диапазоне 20 - 300 С не превышает 12"/1 С.
Определены поверхности фазового синхронизма и коэффициента качества для ГВГ в двухосных НКТР LiIn(Si__xSe_x)2 и LiGa(Si_^Se_x)2 при х = 0-И. Результаты анализа впервые представлены в виде совмещенных трехмерных диаграмм. Установлено, что значения коэффициента качества для ss-f типов взаимодействия максимальны при углах вне главных плоскостей кристалла, тогда как для^-/типов взаимодействия оно достигает максимума в плоскости XY кристаллооптической системы координат.
Впервые получены аппроксимации дисперсионных зависимостей показателей преломления новых НКТР LiIn(So,5Seo,5)2 в виде уравнений Сельмейера с погрешностью, равной погрешности эксперимента.

9 Научная ценность полученных результатов заключается в том, что они помогают продвинуться в понимании возможностей НКТР как параметрических преобразователей частоты лазерного излучения.

Практическая значимость проведенных исследований заключается в следующем:

Расчетным и экспериментальным путем определены адекватные аппроксимации дисперсии показателей преломления LiInS2, LiInSe2, AgGaS2, HgGa2S4 и AgGaGeS4 в виде уравнений Сельмейера из числа известных, которые могут быть рекомендованы для проведения расчетов условий фазового синхронизма, коэффициента качества НКТР и создания ППЧ с улучшенными характеристиками на основе рассматриваемых кристаллов.
Определенные длины НКТР, имеющих линейные по длине вариации состава, при которых реализуется первый максимум в эффективности ГВГ, могут быть использованы в качестве исходных данных для подготовки технических заданий на изготовление рабочих элементов из них.
Выходные характеристики разработанного ПГС на основе НК AgGaS2, выращенного и просветленного с использованием современных технологий, дают возможность его применения в лидарах-газоанализаторах дифференциального поглощения.
Определенные значения вариаций углов фазового синхронизма для ГВГ в AgGaS2 и HgGa2S4 как функций температуры кристалла позволяют использовать их в разработке генераторов второй гармоники.
Предложен способ маркировки кристаллов, имеющих отклонения в стехиометрии, по положению края коротковолновой границы спектра прозрачности.

Достоверность результатов, выводов и положений диссертационной работы обеспечивается:

- воспроизводимостью результатов проведенных модельных и экспериментальных исследований физических свойств НКТР, а также параметров и характеристик параметрических преобразователей частоты на их основе в различных экспериментальных условиях: в ИМКЭС СО РАН, ОСП «СФТИТГУ», Институте лазерной физики СО РАН и Институте физики полупроводников СО РАН,

10 г. Новосибирск, а также в Джилинском университете, г. Чангчунь, Харбинском технологическом университете и Университете науки и технологий, г. Харбин, КНР;

-использованием современных технологий программирования (Microsoft Visual C++, Mathematica 5.0) и методов объектно-ориентированного программирования;

— тестированием с помощью замкнутого численного эксперимента;

-корректностью и взаимопроверяемостью используемых методик, их непротиворечивостью современным представлениям о трёхчастотных процессах параметрического преобразования частоты лазерного излучения в нелинейно-квадратичной среде;

- качественным и количественным согласием результатов этой работы и данными
Т. Като (1998 г.) и В.В. Бадикова (2004 г.), полученными независимо;
-результатами, полученными в процессе диссертационной работы, в Джилинском
университете, г. Чанчунь, и Харбинском технологическом университете, г. Харбин, КНР;
в рамках договора о научно-техническом сотрудничестве созданы действующие макеты ;<
ГВГ и ПГС, а также лидара-газоанализатора дифференциального поглощения на основе
перестраиваемого СОг-лазера с ГВГ. _у.

Внедрение результатов работы

Результаты диссертационной работы использованы:

при выполнении институтских, региональных, государственных и международных научных и научно-технических программ и проектов, ряда госбюджетных тем и в соответствующих отчетах ИМКЭС СО РАН. Среди указанных проектов следует особо отметить проекты СО РАН 28.2.3. «Разработка новых методов, технологий и приборов на основе оптических, радиоволновых и акустических эффектов для контроля природных и техногенных систем, а также для решения специальных задач» и 7.13.1.2. «Развитие методов и технических средств на основе оптических, радиоволновых и акустических эффектов для изучения природных и техногенных систем», Региональный научный грант РФФИ «Научные основы создания лазерного диагностического комплекса»№ 05-02-98005-р_обь;
при выполнении институтских программ в ОСП «СФТИ ТГУ».

Внедрение и использование результатов диссертационной работы подтверждается двумя актами, представленными в приложении I и П.

Связь работы с научными программами и темами

Работа выполнена в рамках приоритетных направлений развития науки, технологий и техники Российской Федерации «Основы политики Российской Федерации в области развития науки и технологий на период до 2010 года и дальнейшую перспективу. Экология и рациональное природопользование» (Приказ Президента Пр-577 от 30 марта 2002 г.) и перечня критических технологий «Перечень критических технолопій Российской Федерации. Мониторинг окружающей среды» (Приказ Президента Пр-578 от 30 марта 2002 г.), а также в рамках ориентированных на них фундаментальных исследований РАН.

Тема диссертации соответствует приоритетному направлению СО РАН
«28. Экологая и рациональное природопользование. Мониторинг окружающей среды»
на 2004-2006 гг., программа 28.2. «Научное, методическое, приборное и аналитическое
обеспечение мониторинга окружающей среды для экологических и специальных задач»,
проект 28.2.3. «Разработка новых методов, технолопій и приборов на основе оптических,
радиоволновых и акустических эффектов для контроля природных и техногенных
систем, а также для решения специальных задач» (per. № 01200408133), а также
приоритетному направлению СО РАН на 2007-2009 п. 7.13. «Разработка методов,
технологий, технических и аналитических средств исследования поверхности и недр
Земли, шдросферы и атмосферы. Геоинформатика», . программа

7.13.1. «Фундаментальные основы приборостроения для наук о Земле и решения специальных задач», проект 7.13.1.2. «Развитие методов и технических средств на основе оптических, радиоволновых и акустических эффектов для изучения природных и техногенных систем» (утверждено Постановлением Президиума СО РАН №40 от 12.02.2007).

Работа выполнялась в рамках приоритетных направлений развития науки, технологий и техники Российской Федерации «Основы политики Российской Федерации в области развития науки и технолопій на период до 2010 года и дальнейшую перспективу. Экология и рациональное природопользование» (Приказ Президента Пр-577 от 30 марта 2002 г.) и перечня критических технологий «Перечень критических технологий Российской Федерации. Мониторинг окружающей среды» (Приказ Президента Пр-578 от 30 марта 2002 г.), а также ориентированных на них фундаментальных исследований РАН: проект 28.2.3. «Разработка новых методов,

12 технологий и приборов на основе оптических, радиоволновых и акустических эффектов для контроля природных и техногенных систем, а также для решения специальных задач» (per. № 01200408133), проект 7.13.1.2. «Развитие методов и технических средств на основе оптических, радиоволновых и акустических эффектов для изучения природных и техногенных систем» (утверждено Постановлением Президиума СО РАН №40 от 12.02.2007). Работа поддержана региональным научным грантом РФФИ «Обь» «Научные основы создания лазерного диагностического комплекса» № 05-02-98005-р_обь. Результаты проделанной работы в части моделирования эффективности преобразования частот в нелинейных кристаллах твердых растворов LiIn(Si-^Se_x)2 и LiGa(Si-*Se*)2 включены в отчет СО РАН: «Сибирское отделение Российской академии наук в 2005 году. Том I. Основные научные результаты. Часть 1. Приоритетные направления и программы фундаментальных исследований. Программа 28.2. Научное, методическое, приборное и аналитическое обеспечение мониторинга окружающей среды для экологических и специальных задач» (Изд-во СО РАН, Новосибирск, 2005. С. 204-205). Автор данной работы является также победителем конкурса молодых ученых СО РАН 2006 г. с выделением гранта «Широкодиапазонное преобразование частоты лазерного излучения в пределах видимого - среднего ИК-диапазона спектра на основе нелинейных кристаллов» на 2007-2009 гг. (Приложение к постановлению Президігума СО РАН от 21.12.2006 г. № 465).

Апробация работы

Материалы диссертационной работы представлялись, докладывались и обсуждались на международных, всероссийских и региональных конференциях: VIII Международной школе-семинаре «Эволюция дефектных структур в конденсированных средах», Барнаул, 2005; на VII Российско-Китайском симпозиуме по лазерной физике и лазерным технологиям, Томск, ТГУ, 2004 г.; на X и XI Международных симпозігумах «Оптика атмосферы и океана», Томск, 2003 и 2004 гг. соответственно; на VI и VII Международных конференциях «Импульсные лазеры на переходах атомов и молекул», Томск, 2003 и 2005 гг. соответственно; на IV школе-семинаре молодых ученых «Современные проблемы физики, технологии и инновационного развития», Томск, СФТИ, 2003 г.; на IX Международной научно-практической конференции «Современные техника и технологии», Томск, ТПУ, 2003 г.; на IX Международной школе-семинаре по люминесценции и лазерной физике, Иркутск, 2004; на Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (ICONO/LAT

13 2005), Санкт-Петербург, 2005 г.; на VI Сибирском совещании по климато-экологаческому мониторингу, Томск, 2005 г.; на III Asian Conference on Crystal Growth and Crystal Technology, Beijing, 2005 г.; на V Международном симпозиуме «Контроль и реабилитация окружающей среды», Томск, 2006 г.; на XIII Международном объединенном симпозиуме «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы», Томск, 2006 г.; на IV Международном симпозігуме по оптическим материалам (ISLNOM-4) Прага, Чехия, 2006 г.; на VI Азиатско-тихоокеанской конференции «Фундаментальные проблемы опто- и микроэлектроники» (АРСОМ'2006)», Харбин, КНР, 2006 г.

Публикации

По теме диссертационной работы опубликовано 49 работ, из них 14 статей в периодической рецензируемой печати, а также 29 тезисов докладов и 6 статей в сборниках трудов научных конференций.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, библиографического, списка и приложений, подтверждающих внедрение и практическое использование результатов диссертационной работы. Работа изложена на 132 страницах, включает 19 таблиц, 39 рисунков и список библиографических источников из 96 наименований...<

Содержание работы

Во введении обоснованы выбор объектов исследования, актуальность темы? диссертации, показаны ее связь с крупными научными программами и практическая значимость. Кратко проанализировано состояние научной проблемы, сформулированы цель и основные задачи исследований, указаны методы исследований, подчеркнута научная новизна, обоснована достоверность результатов, описаны использование и внедрение результатов исследований, личный вклад автора, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Нелинейные оптические процессы: основные понятия» кратко рассмотрен физический процесс параметрического преобразования частоты в нелинейных оптических кристаллах: генерация второй гармоники и параметрическая генерация света. Вводятся основные понятия, такие как условия фазового синхронизма и дисперсионные уравнения Сельмейера, необходимые для понимания изложенных в главе 2 и главе 3 результатов исследований. Для лучшего понимания результатов

14 диссертационной работы обзор литературы представлен в главе 2 и 3 параллельно с описанием результатов исследований.

Во второй главе «Модельные исследования трехчастотных процессов параметрического преобразования частоты» охарактеризованы объекты исследования, сформирована модель процессов параметрического преобразования частоты, на основе которой выполнены расчеты и представлены результаты расчетов. Пристальное внимание уделено исследованию дисперсионных свойств НКТР, определяющих условия синхронизма и эффективность параметрических процессов преобразования частоты. Сделан вывод о том что особый интерес как с фундаментальной, так и прикладной точки зрения приобретает проблема наличия отклонений состава НКТР от ожидаемого состава, а также его вариаций в объеме НКТР.

С использованием формулы для определения интенсивности волны (ВГ) и формулы для определения дисперсионных свойств НКТР получено расчетное соотношение, определяющее длину рабочих элементов из них при наличии линейных по длине вариаций состава, при которой эффективность ГВГ достигает первого максимума.

Проведен анализ условий фазового синхронизма и коэффициента качества для процессов ГВГ во всем объеме двухосных НКТР LiIn(Si-*Se*)2 и LiGa(Si-xSe*)2 при х = О-т-1 с представлением результатов оценок в графическом виде на совмещенных! трехмерных диаграммах. При этом использованы известные из литературы данные о дисперсионных свойствах НК ІІІпБг и LiInSe2, результаты численного моделирования и данные экспериментальных измерений (глава III).

Для исследования спектральной зависимости угловой ширины фазового синхронизма использовано выражение, учитывающее первую и вторую производные в разложении волновой расстройки по угловой отстройки от направления фазового синхронизма. Установлено, что при расчетах угловой ширины фазового синхронизма в кристаллах миллиметровых и субмиллиметровых размеров с использованием выражения, содержащего обе производные, точность оценок увеличивается до 10 для ГВГ излучения СОг-лазера в НК ZnGeP2 длиной 1 мм.

Результаты расчетов условий фазового синхронизма и коэффициента качества для процессов ГВГ во всем объеме двухосных НК могут быть представлены в форме

15 наглядных совмещенных диаграмм, позволяющих визуально оценить потенциальные возможности НК и сделать предварительный выбор ориентации рабочего элемента, обеспечивающей максимальную эффективность параметрического преобразования частоты.

В третьей главе представлены результаты экспериментального исследования линейных и нелинейных оптических свойств НКТР AgGaGe,S2(i+x) с х = 0 и 1, IiIn(Si-_xSej)2Cх = 0, 0,5 и 1, Hgi_,Cd_xGa2S4 и GaSei-sS* сх=\, условий фазового синхронизма и эффективности ГВГ СО2 и Er³⁺:YSGG^a3epoB в них, а также ПГС на основе НК AgGaS2 с накачкой излучением различных типов Nd:YAG-Aa3epoB.

Установлено, что известные аппроксимации дисперсионных свойств показателей преломления НК AgGaS2 дают близкие, в пределах погрешности изготовления рабочих элементов и погрешности экспериментальных измерений, результаты в оценке углов фазового синхронизма, за исключением окрестности точки вырождения для диаграмм фазового синхронизма ПГС.

На основе НК AgGaS2 создан ПГС I типа с накачкой наносекуидными импульсами излучения Nd:YAG-Aa3epa с рекордно широким спектром излучения холостых, волн 2,65^-5,29 мкм и энергией выходных импульсов до 0,56 мДж на длине волны 4 мкм без признаков эффекта насыщения. Впервые для ПГС на основе НК AgGaS2 получена генерация с селективным резонатором (дисперпгрующей призмой с острым углом 30);' при этом диапазон параметрической генерации сузился не более чем в два раза. Приведен пример результата перестройки по частоте созданного ПГС.

Определено, что химический состав исследуемого образца НКТР AgGaGeS4 близок к стехиометрическому составу и соответствует химической формуле

Agl±0,019Gai±0,02lGei±0,012S4±0,004.

Показано, что известные аппроксимации дисперсионных свойств НКТР AgGaGeS4 дают близкие, в пределах погрешности изготовления рабочих элементов и погрешности экспериментальных измерений, результаты расчетов углов фазового синхронизма во всем диапазоне фазового синхронизма.

Экспериментально определенные значения углов фазового синхронизма для ГВГ излучения Er³⁺:Ct³⁺:YSGG и 9-мкм ветви излучения СОг-лазера в НКТР AgGaGeS4: 39,6; 56,963 и 57,515 для длин волн 2,79; 9,51 и 9,61 мкм соответственно, находятся посредине

между диаграммами фазового синхронизма, оцененными по двум известным аппроксимациям дисперсионных свойств показателей преломления в виде уравнений Сельмейера. Сравнительное измерение эффективности ГВГ подтвердило корректность ранее определенных значений коэффициентов нелинейной восприимчивости второго порядка.

С помощью электронно-эмиссионного спектрометрического микроскопа M/S Joel и растрового электронного микроскопа LEO-1430 (RONTEC) установлен химический состав исследуемого образца НК HgGa2S4 переменного состава, представленный

ХИМИЧеСКИМИ формулами Hg(l±0,100)Ga(2±0,085)S(4±0,067) И Hgo,94-l,loGai,8

соответственно.

Установлено, что значения углов фазового синхронизма для различных участков исследуемого кристалла HgGa2S4, определенные с погрешностью до ±12' в прямых измерениях и опосредованно, через измерение угловых ширин фазового синхронизма, отличаются на величину не более чем на ~ 1,5.

Обнаружено, что различие в результатах расчетов углов фазового синхронизма для ГВГ СОг-лазеров с использованием известных аппроксігмаций дисперсионных свойств показателей преломления НК HgGa2S4 в виде уравнений Сельмейера достигает 8-9, а известных экспериментально определенных значений -10.

Показано, что причиной различия до 8-9 в результатах расчетов является использование различных по составу НК HgGa2S4, а именно по относительному содержанию исходных химических компонентов HgS и СагБз. Основной причиной больших, до 10, различий известных экспериментальных данных являются ошибки в ориентации изготовленных рабочих образцов нелинейных кристаллов. Получена расчетная формула для определения дисперсионных свойств показателей преломления НК HgGa2S4, учитывающая избыточное содержание исходной химической компоненты HgS по положению коротковолновой границы спектра прозрачности на уровне 10%-го пропускания.

Обнаружено, что температурная дисперсия углов фазового синхронизма невысока и составляет &/(ГГ= \Ъ"/\ С для диапазона длин волн накачки Л = 9,48-5-9,53 мкм. Экспериментально подтверждены ранее определенные значения коэффициентов нелинейной восприимчивости второго порядка для НК HgGa2S4.

17 С использованием известных из литературы данных о дисперсионных свойствах показателей преломления НК ІІІпБг и LiInSe2, результатов численного моделирования и данных экспериментальных измерений дисперсионных свойств показателей преломления НК LiInSe2 определены адекватные аппроксимации дисперсионных свойств показателей преломления НК ІіІпБги ІІІпБегв виде уравнений Сельмейера.

Установлено, что расхождение в результатах модельных оценок внутренних углов фазового синхронизма для ГВГ в НК ІІІпБг обусловлено различием в погрешности аппроксимаций дисперсии показателей преломления в виде полной системы уравнений Сельмейера. Для генерации второй гармоники расхождение в результатах расчетов может достигать 1СН-27⁰.

С использованием определенных аппроксимаций дисперсионных свойств показателей преломления НК ІІІпБг и LiInSe2 в виде уравнений Сельмейера и результатов измерений дисперсионных свойств показателей преломления НКТР LiIn(Si-xSe_x)2 установлена линейная связь между значениями главных показателей преломления и его составом.

Сделан вывод о том, что причиной больших, до 10, расхождений в результатах модельных оценок и в экспериментальных данных об углах фазового синхронизма является использование НК HgGa2S4 различного химического состава, на что указывают результаты химического анализа и, косвенно, цвет кристаллов. Второй причиной различий в экспериментально определенных значениях внутренних углов фазового синхронизма для ГВГ в НК HgGa2S4 в ряде случаев являются технические ошибки в ориентации изготовленных рабочігх элементов из них. Расхождение в результатах модельных оценок углов фазового синхронизма для ГВГ в НК LiInS2 обусловлено различием в погрешности аппроксимаций известных данных о дисперсии показателей преломления в виде уравнений Сельмейера. Новые технологические успехи в выращивании НК AgGaS2 и нанесении просветляющих покрытий на них позволяют реализовать ПГС с параметрами и характеристиками, пригодными для применения в составе систем прикладной оптики.

Физические основы процесса параметрической генерации света

В рассмотренном процессе ГВГ происходит преобразование более длинноволнового излучения лазера накачки в более коротковолновое излучение. Напротив, в процессе параметрической генерации света более коротковолновое излучение лазера накачки преобразуется в более длинноволновое перестраиваемое по частоте излучение нужного спектрального диапазона. Принцип ПГС и его возможные схемотехнические решения были предложены в 1962 г. в работе [9]. Экспериментальные характеристики ПГС с А, 4,0 мкм до недавнего времени не отвечали требованиям, предъявляемым к устройствам прикладной оптики прежде всего по удельным энергетическим и эксплуатационным характеристикам [10]. Однако, большие успехи в области создания высокоэффективных НК и совершенствование характеристик лазеров накачки, достигнутые в последнее время, позволяют надеяться на создание ПГС с высоким энергетическими и эксплуатационными характеристиками при накачке излучением широко распространенных и хорошо отработанных в техническом плане твердотельных лазеров ближнего ИК диапазона, в том числе пико- и наносекундных Nd:YAG, а также фемтосекундных Ti:Sapphire и Cr:Forsterite лазеров. В [11] впервые сообщалось о получении эффективной параметрической генерации света в среднем ИК-диапазоне на основе НК AgGaSe2. ПГС накачивался излучением криогенного НоГЇЬБ-лазера, работавшего в режиме модуляции добротности с энергией в импульсе ЗОмДж, длительностью импульса 50 не и частотой повторения 50 Гц. Максимальная энергия импульса излучения ПГС на А,=4,8 мкм составляла 3 мДж, что соответствовало пиковой эффективности 18%. Плавная перестройка частоты осуществлялась в диапазоне 2,65-9,02 мкм.

В последствии опубликованы также впечатляющие результаты, полученные группой из фирмы Lockheed Sanders [12,13]. Экспериментально реализован вариант ПГС на НК ZnGeP2. Накачка ПГС осуществлялась излучением криогенного Tm,Ho:YLF лазера с длиной волны излучения 2,05 мкм. Лазер накачки был построен по схеме генератор-усилитель. Активный элемент генератора накачивался тремя матрицами непрерывно излучающих AlGaAs лазерных диодов. Мощность каждой из матриц составляла 3 Вт. Генератор работал в режиме периодической модуляции добротности с частотой повторения импульсов 4 кГц при длительности импульсов на полувысоте 6-8нс. В таком режиме выходная средняя мощность генератора достигала 3 Вт, а КПД использования излучения накачки лазерных диодов-33%. Лазерный усилитель обеспечивал среднюю мощность накачки 6,5 Вт, энергию в импульсе 1,6 мДж. Длина волны генерации ПГС перестраивалась в диапазоне 3,45-5,05 мкм. Выходная средняя мощность ПГС в вырожденном режиме на длине волны 4,1 мкм составляла 2,5 Вт, дифференциальная и полная эффективность преобразования частоты достигла 65% и 45%, соответственно. В [12,13] отмечается, что в подразделениях Lockheed Sanders ведется работа в направлении совершенствования конструкции лазера накачки и улучшения характеристик НК, прежде всего за счет уменьшения его потерь на длине волны накачки и увеличения размеров. В последнее время сообщается и о ряде новых впечатляющих результатах разработки ПГС другими исследователями этого и других исследовательских центров [14]. Однако во всех случаях генерация перестраиваемого по частоте излучения среднего ИК-диапазона в эффективных нелинейных кристаллах среднего ИК-диапазона с накачкой излучением твердотельных лазеров с длиной волны около 1 мкм не была осуществлена из-за непрозрачности или высоких линейных оптических потерь широко используемых НК.

Такую возможность открывают лишь исследуемые нелинейные кристаллы и нелинейные кристаллы твердых растворов. . Приведем известные из теории положения [2], требующиеся для последовательного описания используемой в расчетах математической модели ПГС. При распространении в квадратично нелинейном кристалле двух интенсивных /7-ой и /-ой световых волн накачки с частотами ор и щ, вектора электрических полей которых записываются в виде (1.5), в соответствии с (1.2) и (1.3) возникает волна поляризации, которая переизлучает световую волну на частоте сор-щ, с волновым вектором кр-кг Если в НК распространяются три когерентные световые волны, а именно, интенсивная волна накачки Ё и две слабые волны, так называемая холостая Et и сигнальная Es (в нелинейном кристалле всегда имеется широкополосное шумовое поле излучений на необходимых частотах), то нелинейное взаимодействие волн накачки и сигнальной порождает переизлученную волну на частоте (Op-cos с волновым вектором kp-ks, а взаимодействие волн накачки и холостой - переизлученную волну на частоте (Ор-оз{ с волновым вектором kp-kj. При выполнении условий в НК возникает эффективное параметрическое взаимодействие трех рассматриваемых световых волн, приводящее к усилению сигнальной и холостой волн за счет перекачки в них энергии интенсивной волны накачки.

Условие (1.12) называется законом сохранения энергии, а условие (1.13) условием фазового синхронизма для процесса параметрической генерации света. Наибольший практический интерес представляет случай, когда три рассматриваемых волновых вектора коллинеарны. При этом, условие фазового синхронизма (1.13) можно выполнить в анизотропных (пеїп0) нелинейных кристаллах, выбирая угол между оптической осью НК и направлением распространения световых волн, а также их поляризацию. Благодаря эффективному нелинейному взаимодействию этих сигналов с интенсивной волной накачки в условиях фазового синхронизма, распространение последней по нелинейному кристаллу будет сопровождаться параметрической люминесценцией, т.е. переизлучением света на частотах, меньших частоты накачки. Если поместить НК внутрь оптического резонатора, ориентировав его так, чтобы ось резонатора совпадала с направлением фазового синхронизма, и накачивать НК достаточно интенсивной волной, то при определенных условиях в резонаторе возбуждается генерация сигнальной и холостой волн (параметрическая генерация света) значительно превосходящая по интенсивности уровень интенсивности параметрической люминесценции и имеющей другие параметры и характеристики когерентного оптического излучения. Известны две схемы ПГС: с резонатором, добротным только на частоте одной из волн (сіпнальной или холостой) или, так называемый, однорезонаторный ПГС и с резонатором, добротным на двух частотах или, так называемый, двухрезонаторный ПГС. Перестройка ПГС по спектру может осуществляться поворотом нелинейного кристалла внутри резонатора. Резонатор определяет направление фазового синхронизма в НК и, соответственно, ту пару частот 0)s и (ОІ на которые «расщепляется» частота волны накачки щ,. При выводе системы уравнений для описания трехчастотного процесса параметрической генерации света применим подход, описанный в п.1.1. В уравнение (1.3) подставим выражение для электрического поля, которое в данном случае представляет собой сумму выражений вида (1.5) для полей волн накачки, холостой и сигнальной волн. Далее используя стандартную процедуру вывода укороченных уравнений в приближении параксиальных волн [2] и при выполнении условий (1.12,1.13) получим систему уравнений где Aj— комплексная амплитуда поля, связанная с вещественной амплитудой о,- и фазой щ соотношением Aj=cijexp(iq)j);

Анализ возможности выполнения условий фазового синхронизма

Для получения высокой эффективности ПГС необходимо выполнение закона сохранения энергии (1.12) и условия фазового синхронизма (1.13). Так как рассматривается случай коллинеарного синхронизма, то (1.13) принимает вид Отметим, принципиального различия в процессе генерации второй гармоники и процессе параметрической генерации света в нелинейных кристаллах и в нелинейных кристаллах твердых растворах не имеется. Необходимым условием высокой эффективности процессов параметрического преобразования частоты в обоих случаях является также условие малости коэффициентов оптических потерь в НК на длинах волн участвующих в преобразовании излучений. Математические модели процессов генерации второй гармоники и параметрической генерации света в однородных нелинейных кристаллах хорошо отработаны и пригодны для проведения расчетов условий синхронизма, обеспечивающих максимальную эффективность ПГС и ее значения при использовании однородных, не имеющих вариаций состава, нелинейных кристаллов твердых растворов. С одной стороны, модельные исследования трехчастотных процессов параметрического преобразования частоты в НК являются предметом постоянного внимания исследователей и хорошо освоены. С другой стороны, бурное развитие технологий выращивания перспективных одно и двухосных НК, особенно НКТР, прозрачных в широком диапазоне от 0,35-0,6 до 12-15 мкм и далее, обусловили необходимость проведения некоторых дополнительных и уточняющих модельных исследований. Так, например, оказалось, что выращенные однородные НКТР имеют химический состав отличный от химического состава исходных материалов в закладке в ростовой контейнер из-за взаимодействия отдельных химических компонентов со стенками контейнера. Кроме того, химическая неоднородность состава нелинейных кристаллов твердых растворов в направлении роста монокристаллической були является общим свойством, присущим всем известным твердым растворам, независимо от метода их выращивания.

Она обусловлена одновременным существованием двух (жидкой и твердой) фаз исходных соединешій различного химического состава, например, HgGa2S4 и CdGa2S4, в области температур кристаллизации выращиваемого НКТР, в данйом случае CdxHgi.xGa2S4 [15]. В такой ситуации процесс кристаллизации идет с преимуществом на начальном этапе для одного исходного химического компонента (CdGa2S4) и приводит к серьезным вариациям (снижению) его содержания в направлении роста були [16,17]. Это обстоятельство требует повышенного внимания к контролю состава НКТР, как на стадии ростовых процессов, так и на стадии изготовления рабочих элементов из выращенных монокристаллических буль. Очевидно, что оценка влияния наличия отклонений и вариаций состава НКТР на параметры и характеристики параметрических преобразователей частоты, корректная формулировка технического задания на выращивание НКТР и т.д., невозможны без наличия соответствующих алгоритмов оценок, проведения численных расчетов и последующего анализа результатов расчетов. Тем не менее, такие алгоритмы автору не известны, как и результаты численных расчетов. На начальном этапе данных исследований не найдены были и публикации посвященные оценкам условий фазового синхронизма и коэффициента качества в объеме двухосных НК или НКТР с наглядным представлением полученных результатов в виде совмещенных трехмерных диаграмм. Как правило, оценки проводятся лишь для процессов ППЧ в главных плоскостях нелинейных кристаллов. В относительно ограниченном числе работ представлены проекции условий фазового синхронизма на главные плоскости НК [6,18], являющиеся недостаточно наглядными для предварительной оценки условий фазового синхронизма и коэффициента качества, быстрой визуальной оценки потенциальных возможностей нелинейных кристаллов. При предварительных оценках спектральных зависимостей угловых ширин синхронизма для процессов ППЧ в НК субмиллиметровых и миллиметровых размеров (чаще используются для преобразования частоты сверхкоротких импульсов) с использованием широко используемого подхода выявлена проблема расхождения данных расчетов и результатов экспериментальных исследований. Обычно, при определении спектральной зависимости угловой ширины синхронизма для процессов ППЧ, используются различные выражения для условий критичного и некритичного фазового синхронизма, содержащие, соответственно, только первую или только вторую производную в разложении волновой расстройки по углу отстройки от направления фазового синхронизма.

При этом проблема сшивания результатов расчетов по одному и другому выражению решается простым переходом к использованию второго выражения тогда, когда результаты оценок по обоим выражениям сравниваются. Известно и выражение, учитывающее обе производные в разложении волновой расстройки применимое для расчетов угловых ширин синхронизма во всем диапазоне синхронизма, однако область применимости рассмотренных выражений не определена. В данной главе представлен алгоритм оценки допустимых отклонений состава однородных НКТР, при которых падении эффективности параметрического преобразования частоты из-за соответствующий изменений условий синхронизма не превышает допустимого (приемлемого) значения. Представлены также алгоритм оценки длины НК, при которой достигается первый максимум в эффективности ГВГ при наличии линейных по длине вариаций состава, алгоритм и результаты расчетов условий фазового синхронизма и коэффициента качества для генерации второй гармоники во всем объеме двухосных НК. Кроме того, определены области применимости различных

Расчёт допустимых отклонений и вариаций состава нелинейных кристаллов твердых растворов

Поскольку рабочие образцы НКТР изготавливаются из монокристаллических буль всегда имеющих переменный состав, встает вопрос о том, с какими допустимыми отклонениями состава от ожидаемого значения и его вариациями должны быть выращены монокристаллические були. Точнее, какие отклонения и вариации состава допустимы в объеме конкретного рабочего образца НКТР для разрабатываемого типа преобразователя частоты. Учтем, что, как правило, вариации состава НКТР в направления роста значительно превосходят вариации состава в поперечном направлении, обусловленные наличием прикраевого градиента температуры в ростовом контейнере. И отметим, известная минимальная вариация состава Ах - 0,0015 (1,5%) вдоль направления роста была достигнута на длине 40,7 мм в центральной части 80 мм монокристаллической були НКТР AgGai-JnxSe2 [20]. В то же время, вариации х = 0,15 (15%) установлены по всей длине буль НКТР Hgi-jCd GaaS выращенных по методу Бриджмена, при этом отклонение их состава от состава закладки исходных химических материалов достигает 25% [17,16,21]. В данной работе для различных трехчастотных параметрических взаимодействий плоских волн в рабочих элементах из НКТР предлагается находить допустимые отклонения состава от ожидаемого значения и допустимые вариации состава в пределах рабочих образцов из условий фазосогласования (1.13). Для НКТР однородного состава их можно записать [19] как

Для описания дисперсионных свойств НКТР можно использовать выражения nj(x)=[x (nj)2 + x) (nj)2\ У — 1,2,3, а верхние индексы А, В означают два1 исходных кристалла [22]. Из этого выражения следует, что условия фазового синхронизма зависят от состава х. Точное позиционирование используемых реальных образцов нелинейных кристаллов на направление ожидаемого фазового синхронизма при наличии отклонений состава от ожидаемого значения на величину Ах = х-хо (оно может быть обусловлено также погрешностью определения химического состава НКТР), где хо- среднее или ожидаемое значение состава, приведет к появлению фазовой расстройки Ак 0. Если не произведена подстройка под направление точного фазового синхронизма с учетом реального состава нелинейного кристалла, то будет иметь место снижение эффективности процесса параметрического преобразования частоты. Определим это снижение эффективности следующим образом. Дифференцируя уравнение (2.5) по х получим соотношение между волновой расстройкой и отклонением состава, информация о котором заложена в значения показателей преломления Для у = 1,2 применяется знак « + », а для,/ = 3, знак « - ». Выражение (2.66) справедливо для небольших отклонений состава, т.е. Дх « х, и может быть использовано для расчёта допустимых пределов отклонений состава, при которых эффективность падает не ниже некоторого допустимого значения. Отметим, что условие применимости выражения (2.66) означает, что изменением эффективности преобразования частоты обусловленным изменением коэффициента нелинейной восприимчивости НКТР из-за изменения его состава можно пренебречь. Положим, что значения показателей преломления слабо меняются с х из-за обычно невысокого различия значений показателей преломления исходных для НКТР нелинейных кристаллов. Тогда выражение (2.66) также слабо зависит от состава твердых растворов. В этом случае для описания зависимости (У\ ,AJ от х вполне подходит линейная аппроксимация. Разлагая в ряд Тейлора при х = хо, получим Из него видно, что в рассматриваемом случае допустимые отклонения состава Дх обратно пропорциональны длине НКТР.

При этом уменьшение эффективности процесса параметрического преобразования частоты, обусловленное такими изменениями состава, составит 59%, т.к. sinc2(M//2) = 4/ті2«41%. Если принять значение М = 0,886 ті/І, то вид зависимостей от х и / сохранится, а эффективность преобразования частоты упадет в два раза или на 50%. Соответствующим образом можно определить величину волновой расстройки и обуславливающее ее допустимое отклонение состава НКТР, при которых эффективность рассматриваемых процессов ППЧ упадет до некоторого иного допустимого уровня. Отметим, если кривые синхронизма (например, для ГВГ) исходных НК имеют точку пересечения на какой-либо длине волны [23,24], то допустимый диапазон отклонений состава от заданного для процесса ГВГ излучения на этой длине волны может достигать значения Ах = 1,0. (см. далее рис.2.2). Т.е. базовое соотношение Ах«х может не выполняться. Однако этот случай практического значения не имеет, т.к. значение состава будет терять смысл для условий фазового синхронизма в этой точки. Здесь оба исходных НК и соответствующий НКТР будут иметь идентичные дисперсионные свойства и условия фазового синхронизма. Расппъ такие НКТР не имеет смысла.

Для повышения точности оценок в особой точке и ее окрестности следует решать численными методами уравнения общего вида Здесь Ах+ и Ах — допустимые значения положительного и отрицательного отклонения состава, соответственно. Среднеарифметическое между ІАдпи Дгі является допустимым диапазоном отклонений состава. Впрочем, НКТР обычно используются для достижения условий близких к некритичному фазовому синхронизму. В этом случае допустимая ширина диапазона отклонений состава минимальна, ДгН «ІДгі и необходимость различать оба значения Ах+ и Ллг отпадает. Результаты оценок допустимых отклонений состава от ожидаемого значения для двухосных НКТР по выражению (2.10), при которых эффективность преобразования частоты падает на 59%, представлены на рис. 2.2-2.5 [25]. Длина НКТР, принятая в расчетах диаграмм представленных на рис. 2.3 и далее, составляет 1 см. Тип взаимодействия и плоскость, в которой рассмотрен процесс ГВГ, а также спектральная граница диапазона фазового синхронизма приведены на полях рис. 2.2 и далее. На рис. 2.2 б видно, что длинноволновая граница спектральной области фазового синхронизма для ГВГ в НКТР LiGa(Si-xSex)2 существенно сдвигается в коротковолновую область с ростом х. Это говорит о возможности обеспечения условий некритичного фазового синхронизма, являющимися оптимальными для этого отрицательного нелинейного кристалла, путем вариаций состава для длин волн накачки в пределах диапазона 5,1 - 7,8 мкм, а также в узком диапазоне длин волн в районе коротковолновой границы области фазового синхронизма. Видно также, что значение допустимых отклонений состава растет при сдвиге длин волн накачки к длине волны в районе 3 мкм. Если на рис. 2.2 б наложить кривые фазового синхронизма для ГВГ, приведенные на рис. 2.2 а, то станет понятно, почему нет ограничений на величину допустимых отклонений состава для процесса ГВГ в этой области. Именно на этой длине волны пересекаются кривые фазового синхронизма исходных НК LiGaSe2 и. LiGaS2, изменение состава в этом случае не может изменить условия фазового синхронизма. Оценку допустимых отклонений состава от ожидаемых значений в окрестности этой точки необходимо проводить путем численного решения уравнений (2.11). На рис. 2.3. показаны спектральные зависимости допустимых отклонений состава для ПГС на основе НКТР LiIn(Si Su)2 [27].

Исследование линейных и нелинейных оптических свойств нелинейных кристаллов HgGa

Отрицательные одноосные НК HgGa2S4 точечной группы симметрии 4 имеют целый ряд привлекательных физических свойств. Ширина их запрещённой зоны примерно соответствует коротковолновой границе спектра прозрачности 440 нм [78], что позволяет использовать в качестве источников накачки широко распространенные твердотельные Nd:YAG, а также фемтосекундные Ti:Sapphire и CrForsterite лазеры. Эти нелинейные кристаллы обладают высоким двулучепреломлением В = 0,0535, достаточным для выполнения условий фазового синхронизма для различных процессов параметрического преобразования частоты практически во всей области прозрачности, и самыми высокими коэффициентами нелинейной восприимчивости второго порядка среди НК прозрачных в широких пределах от видимого до среднего ИК-диапазона: d36 = 31,5 и d3i = 10,5 пм/В [78]; d36 = 35,2 + 5,3 и cbi = 11,7 ± 1,8 пм/В Ц9]; или даже сізб = 37 + 4 и сізі = 14 + 2 пм/В [80]. Приемлемая теплопроводность, для образцов НК различного цвета от 2,31 + 0,07 до 2,85 ± 0,010 Вт/см-К, при высокой теплоемкости в пределах 395 ± 45 - 435 ± 57 Дж/кг-К [81] и высокой плотности 4,95 г/см3 [19] обеспечивает их неординарную лучевую стойкость. Она в 2-2,3 раза превосходит лучевую стойкость широко используемых нелинейных кристаллов среднего ИК-диапазона [80,50]. Удовлетворительная твёрдость, 3-3,5 по Моосу, делает эти НК гфигодными для качественной оптической обработки. Вся совокупность физических свойств позволяет говорить о возможном лидерстве НК HgGa2S4 по эффективности преобразования частоты среди нелинейных кристаллов среднего ИК-диапазона и о возможностях их применения в устройствах силовой оптики [47].

Следует ожидать и хороших эксплуатационных характеристик параметрических преобразователей частоты на их основе. Однако, состояние технологии выращивания НК HgGa2S4 приемлемых размеров не позволяет получать образцы с идентичными свойствами, на что указывает различный цвет окраски: от светло зеленого до желтого, оранжевого, красного и даже черного, в зависимости от относительного содержания исходных компонент HgS и Ga2S3. НК HgGa2S4 красного и черного цвета нестабильны [82, 83]. Стабильные НК светло зеленого и оранжевого цвета прозрачны в диапазоне 0,5-13 мкм на "0" уровне, при этом коротковолновая граница спектра прозрачности незначительно смещается в зависимости от тональности цвета НК и поляризации света. Зависимость коэффициента нелинейной восприимчивости второго порядка от цвета НК HgGa2S4 не исследована, но в тоже время отмечена разница как в экспериментальных значениях внутренних углов фазового синхронизма для ТВГ СОг лазеров, так и в результатов оценок с использованием известных уравнений Сельмейера [81], а также между экспериментальными результатами и результатами расчетов на величину до 8 - 9. При этом разница в углах фазового синхронизма для желтых и оранжевых образцов НК HgGa2S4 объяснена некорректностью ранее выполненной аппроксимации дисперсионных свойств показателей преломления в виде уравнений Сельмейера, в силу чего была предложена новая аппроксимация для НК именно оранжевого цвета. Отмеченное выше различие в углах фазового синхронизма было снижено такігм образом до уровня 1,9 — 2,4. Уравнения Сельмейера с новыми коэффициентами были позднее предложены и в работе [80] для НК неопределенного цвета. Результаты оценок по ним хорошо соответствуют полученным в данной же работе экспериментальным результатам, однако сохранившиеся различие с известными результатами никак не трактовано.

Отметим, цвет НК HgGa2S4 исследованных в работах [81,50,82] идентифицирован визуально, а не количественно. В работах Щ., 15, 84] он вообще не упоминается. С другой стороны, различие в углах фазового синхронизма для НК светло зеленого и оранжевого цвета в работе [79] не обнаружено. Такая ситуация дезориентирует потребителей НК HgGa2S4 и затрудняет определение истинного места нелинейных кристаллов HgGa2S4B прикладной нелинейной оптике. С целью выяснения причин разлігчия имеющихся данных об условиях фазосогласоваиия в НК HgGa2S4 нами, прежде всего, систематизированы известные данные по аппроксимациям показателей преломления в виде уравнений Сельмейера различного вида, которые сведены в табл. 3.2. В табл. 3.2 уравнения Сельмейера обозначенные как «1» имеют вид: n2=A+B/(A,2-Q+D/(A,2-E); «2» - n2=A+B/(A,2-Q-DA,2; 6» - n2=A+BA,2/(X,2-Q +DX2/(k2-E). Аппроксимации из работы [80] справедливы в диапазоне длин волн 0,55-12,8 мкм; из работы [82] - в диапазоне 0,55-11 мкм; из остальных работ - в диапазоне 0,55-11,5 мкм. Для удобства восприятия информации в тексте вместо ссылок на работы, где упоминаются аппроксимащш показателей преломления, будут приведены фамилии авторов в соответствші с последней колонкой табл. 3.2. показателей преломления в области длинноволновой границы спектра прозрачности с очевидно отлігчннм поведением дисперсионных зависимостей Гейко ОЗ, а на рис. 3.11 б - существенное отличие хода диаграмм двулучепреломлешія для данных Гейко ОЗ и Бадикова 04 (ж) для кристаллов желтого (ж) цвета. Заметим, в работе [85] коэффициенты уравнения Сельмейера, используемые для оценок, не представлены, а вместо них приведена ссылка на статью [88], где они также отсутствуют. Несмотря на существенные различия в дисперсионных зависимостях показателей преломления, условия фазового синхронизма для ПГС с накачкой NdrYAG лазером различаются слабо (рис. 3.12. а), за исключением, пожалуй, оценок по данным Гейко ОЗ.