НЕЛИНЕЙНЫЕ КРИСТАЛЛЫ ДЛЯ ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ ГЕНЕРАЦИИ СВЕТА В БЛИЖНЕМ И СРЕДНЕМ ИК ДИАПАЗОНЕ Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 535-15

DOI 10.33764/2618-981X-2022-8-2-12-18

Нелинейные кристаллы для параметрической генерации света в ближнем и среднем ИК диапазоне

В. С. Айрапетян1, А. В. Макеев1 * 1 Сибирский государственный университет геосистем и технологий, г. Новосибирск,

Российская Федерация

* e-mail: makeeffsan@yandex.ru

Аннотация. Представлен обзор и сравнительный анализ нелинейных оптических кристаллов с широким диапазоном прозрачности. Сделан вывод о возможности создания на их основе высокоэффективных параметрических генераторов света среднего и дальнего ИК диапазона для лидарных систем.

Ключевые слова: нелинейный кристалл, лидар, перестраиваемый генератор света, оксидные кристаллы, халькогенидные кристаллы, селенидные кристаллы

Nonlinear crystals for parametric light generation in the near and middle IR range

V. S. Ayrapetyan1, А. V. Makeev1 *

1 Siberian State University of Geosystems and Technologies, Novosibirsk, Russian Federation

* e-mail: makeeffsan@yandex.ru

Abstract. A review and comparative analysis of nonlinear optical crystals with a wide transparency range is presented. The conclusion is made about the possibility of creating on their basis highly efficient parametric light generators in the middle and far infrared range for lidar systems.

Keywords: nonlinear crystal, lidar, tunable light generator, oxide crystals, chalcogenide crystals, selenide crystals

Введение

Основным способом охвата ближнего и среднего ИК-диапазонов с плавной и дискретной перестройкой частоты является параметрический генератор света (ПГС).

Основными требованиями к нелинейным кристаллам (НК), используемыми для параметрического преобразования являются [1-3]:

1) широкий диапазон прозрачности от 1 до 10 мкм;

2) высокая лучевая стойкость к импульсному излучению (не менее 250 МВт/см2) и теплопроводность не хуже 2 Вт/(мК);

3) величина компонент тензора квадратичной нелинейной восприимчивости на уровне 10 пм/В;

4) возможность получения кристаллов требуемой геометрической формы;

5) стабильность свойств материала во внешней среде.

Обзор НК для параметрической генерации света в ближнем и среднем ИК диапазонах

Группа оксидных кристаллов, таких как: LiNbO3, LiB3O5, KTiOPO4 (KTP), KTiOAsO4 обладают высокими значениями лучевой стойкости до 0,20,25 ГВт/см2 при накачке (Хн) на 1,064 мкм импульсом (t) 10 нс (GTR-KTP) [1, 9]. Однако диапазон прозрачности таких НК ограничивается 4,5 мкм [3-5], что не позволяет использовать их для охвата среднего ИК-диапазона. Для расширения длинноволновой границы перестройки возможно использование полупроводниковых кристаллов. Так, представителем класса сульфидов является кристалл тио-галлата серебра AgGaS2 (AGS). Этот одноосный отрицательный кристалл характеризуется диапазоном прозрачности от 0,53 до 12 мкм, обладает лучевой стойкостью 200 МВт/см2 на Хн =1,064 мкм, t=10 нс, теплопроводностью на уровне 1,5 Вт/(мК) в направлении, перпендикулярном оптической оси, и 1,4 Вт/(мК) в направлении, параллельном оптической оси [6]. Кристалл тиогаллата ртути HgGa2S4 (HGS). HGS прозрачен в спектральном диапазоне от 0,5 до 13 мкм, в отличие от AGS лучевая стойкость составляет 136 МВт/см2 (Хн =1,064 мкм; t=8 нс), однако теплопроводность в направлении, перпендикулярном оптической, оси составляет 2,36 Вт/(мК) и 2,85 Вт/(мК) в направлении, параллельном оптической оси [7]. Кристалл тиогаллата кадмия-ртути Hg1-xCdxGa2S4 представляет собой твердый раствор и прозрачен в спектральном диапазоне от 0,45 мкм до 13 мкм. Коэффициент эффективной нелинейности для реализации некритичного фазового синхронизма первого типа определяется компонентой тензора квадратичной нелинейности d36= 22,9 пм/В. Кристалл TUHgl6 прозрачен в рекордно широком спектральном диапазоне от 1 мкм до 60 мкм [9]. Однако, этот кристалл не получил широкого применения, так как обладает малым коэффициентом квадратичной нелинейности :1 пм/В.

Кристалл тиогаллата лития LiGaS2 (LGS) обладает несколько меньшей прозрачностью в длинноволновой части спектра (от 0,33 до 11,6 мкм) [8], лучевая стойкость 240 МВт/см2 (Хн =1,064 мкм; t=10 нс). Другой литий содержащий кристалл LiInS2 (LIS) c диапазоном прозрачности от 0,35 до 12 мкм и нелинейным коэффициентом d31=8,3 пм/В обладает рекордным значением лучевой стойкости 1 ГВт/см2 (Хн =1,064 мкм; t=10 нс). Тиоглаллат бария BaGaS7 (BGS) прозрачен в спектральном диапазоне от 0,5 до 9,4 мкм, порог лучевой стройкости 264 МВт/см2 (Хн =1,064 мкм; t=14 нс.). Технология выращивания HGS, LGS, BGS является очень сложной, их выпуск осуществляют только специализированные лаборатории, что ограничивает их широкое применение. В данном классе коммерчески доступным является только кристалл AGS.

Кристалл селеногаллата серебра AgGaSe2 (AGSE) относится к классу селе-нидов. Спектр пропускания от 0,73 до 18 мкм и коммерческая доступность делают возможным его применение для параметрической генерации в среднем ИК-диапазоне. Его порог оптического разрушения составляет 350 МВт/см2 на Хн =1,064 мкм, t=10 нс [9], теплопроводность 1,1 Вт/(мК) в направлении, перпендикулярном оптической оси, и 1 Вт/(мК) в направлении, параллельном оптиче-

ской оси, при температуре 293 К. В отличие от AGS AGSE обладает меньшим углом сноса (0,68° против 0.76°, на Х=5,3 мкм). Недостатком является невозможность накачки неодимовым лазером. Кристалл AgGaSexS2(1+x) прозрачен в диапазоне от 0,45 до 14,5 мкм и обладает несколько более высокой нелинейностью ^33=18 пм/В. [5] Кристалл арсенида галлия GaAs имеет коэффициент теплопроводности 55 Вт/(мК), и диапазон прозрачности от 1 до 15 мкм. Кристаллы GaP, InAs, InP, InSb. Такие структуры фактически являются аналогами кислородсодержащих РДС-кристаллов. Подобные структуры обладают широким диапазоном прозрачности от 1 до 18 мкм, высокой эффективной нелинейностью - порядка 60 пм/В, а также высокой теплопроводностью - порядка 46 Вт/(мК). Высокая теплопроводность кристалла является важным условием для генерации в непрерывном и высокочастотном режимах. Из перечисленных в данном абзаце периодически поляризованных структур только GaP могут быть использованы в устройствах преобразования частоты с накачкой лазерами с длиной волны 1 мкм. Кристалл селеногаллата бария BaGa4Se7 (BGSe) прозрачен в диапазоне от 0,5 до 18 мкм, порог поверхностного пробоя 225,6 МВт/см2 (Хн =1,053 мкм; t=10 нс.). Данный кристал обладает низким коэффицентом теплопроводности 0,56 Вт/(мК). Среди бариевых галогенидов также синтезирован кристалл BaGaGeSe6 с диапазоном прозрачности от 0,58 до 12 мкм с порогом поверхностного разрушения 300 МВт/см2 на Хн =1,053 мкм, t=17 нс [8]. Селенид кадмия CdSе имеет очень широкий диапазон прозрачности от 0,71 до 24 мкм, относительно высокую нелинейность d.31 = 18 пм/В, лучевая стойкость 60 МВт/см2 на Хн =10,6 мкм, t=200 нс, у данного кристалла высокая теплопроводность 6,9 Вт/(мК) в направлении, перпендикулярном оптической оси, и 6,2 Вт/(мК) в направлении, параллельном оптической оси, при температуре 293 К [7]. Данный кристалл является коммерчески доступным. Отрицательный одноосный слоистый полупроводниковый кристалл селенида галлия GaSe также обладает широким диапазоном прозрачности от 0,62 до 20 мкм, из-за особенности его строения кристалл сложно ориентировать. Ориентация возможна только в плоскости 001 [13]. Также кристалл обладает низкой лучевой стойкостью 30 МВт/см2 на Хн =1,064 мкм, t=10 нс [7]. Селенид цинка ZnSe обладает диапазоном прозрачности от 0,62 до 19 мкм, порог оптического разрушения очень низкий: 2-3КВт/см2, что делает его малопригодным для ПГС с высокой выходной энергией излучения. Литийсодержащий халькогенид LiInSe2 имеет диапазон прозрачности от 0,43 до 13 мкм. Нелинейность на уровне 12 пм/В для компонента тензора d31, однако данный кристалл обладает высоким порогом оптического разрушения 500 МВт/см2 (Хн =1,053 мкм; t=10 нс). Другим представителем литийсодержащих халькогени-дов является LiGaSe2 кристалл характеризуется диапазоном прозрачности от 0,37 до 13,2 мкм. И меньшими чем у LiInSe2 нелинейно-оптическими свойствами (d31=9,9 пм/В).

Класс фосфидов наиболее ярко представляет фосфид германия цинка ZnGeP2 (ZGP). Данный кристалл распространен при параметрической генерации в среднем ИК-диапазоне, благодаря полному исследованию его свойств, отработке технологии выращивания и коммерческой доступности. Диапазон про-

зрачности лежит в области от 0,74 до 12 мкм [6]. Лучевая стойкость 60 МВт/см2 на Хн =10,6 мкм, ¿=100 нс, теплопроводность очень высокая 36 Вт/(мК) в направлении, перпендикулярном оптической оси, и 35 Вт/(мК) в направлении, параллельном оптической оси, при температуре 293 К [16], нелинейность высокая (йз6 = 75 пм/В на 9,6 мкм). Низкое пропускание гОР в диапазоне до 2 мкм осложняет накачку ПГС широко используемыми для этой цели неодимовыми лазерами. Халькопирит фосфид кадмия кремния СёБ1Р2 обладает еще более высокой нелинейностью (с1з1 = 84 пм/В) теплопроводность составляет 13,6 Вт/мК [10]. Существенным недостатком является диапазон пропускания от 0,5 до 9 мкм, при этом эффективная область генерации ограничена 6 мкм в длинноволновой части [11].

Результаты

Основные характеристики рассмотренных кристаллов систематизированы и представлены в табл. 1.

Таблица 1

Основные характеристики НК среднего и дальнего ИК-диапазона

Кристалл Структура Оптическая Диапазон прозрачности (мкм) Теплопроводность Оптическая нелинейность (пм/В) Порог поврежде-

кристалла симметрия максимальная (Вт/(мК)) ний (МВт/см2)

лея Тетраго -нальная, 42т Одноосный отрицательный 0,5-12 1,5 12,5 350

ИОБ Тетраго-нальная, класс симметрии 4 Одноосный отрицательный 0,5-13 2,85 31,5 136

ьвя Ромби-ческая, 2у Одноосный отрицательный 0,33-11,6 19 5 240

ЫБ Ортором-биче-ская, тт2 Отрицательный двухосный 0,3-12 21 9,35 1000

вея Ромби-ческая, 2у Одноосный отрицательный 0,5-9,4 16 6 286

ЛвББ Тетраго -нальная, 42т Отрицательный одноосный 0,73-18 1,1 33 350

AgGaSeхS2(l+x) Тетраго-нальная Отрицательный одноосный 0,9-17 1,3 26 340

ВвБе Моно-клонная С т Двухосный кристалл 0,5-18 0,56 14,2 225,6

ВаОаОеБев Моно-клонная Двухосный кристалл 0,58-12 15,7 24,3 300

СаБе Гексаго-нальная, Р63тс Отрицательный одноосный 0,71-24 6,9 18 60

ОаБе Гексаго-нальная, 62т Отрицательный одноосный 0,62-20 16,2 63 30

ОаАэ Гексаго-нальная Отрицательный одноосный 0,7-19 2,1 4,7 17

гиБе Кубическая Отрицательный одноосный 0,62-19 5,7 26 0,002

Ы1иБе2 Гексаго-нальная, тт2 Отрицательный одноосный 0,43-13 19 12 500

ЬЮаБе2 Тетраго-нальная Отрицательный одноосный 0,37-13,2 21,3 9,9 350

Окончание табл. 1

Кристалл Структура Оптическая Диапазон прозрачности (мкм) Теплопроводность Оптическая нелинейность (пм/В) Порог поврежде-

кристалла симметрия максимальная (Вт/(мК)) ний (МВт/см2)

ZGP Тетраго -нальная, 42т Одноосный положительный 0,74-12 36 75 60

CdSiP2 Группа 1-42ё Отрицательный одноосный 0,5-9 13,6 84 120

GaP Кубичес-кая Отрицательный одноосный 1,2-18 46 60 60

InAs Гексаго-нальная Отрицательный одноосный 0,9-18 46 28 45

InP Кубическая, структура сфале- Отрицательный одноосный 1,3-18 46 18 57

рита

InSb Кубическая син-гония Отрицательный одноосный 1,2-18 46 10 54

Tl4Hgl6 Нецентросим-метричная Отрицательный одноосный 0,8-60 5,4 1 12

Почти все рассмотренные кристаллы полностью перекрывают обозначенный диапазон 1-10 мкм. В связи с поставленной задачей достижения высоких энергетических характеристик наиболее важными характеристиками будут являться лучевая стойкость и коэффициент теплопроводности, характеристики НК по данным критериям представлены на рис. 1 и рис. 2 соответственно. Классификация кристаллов по эффективной нелинейности показана на рис. 3.

Оптическая стойкость нелинейных кристаллов

TI4Hgl6

InSb ■

■

InP Щ _

InAs —

1

GaP 1

— — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — —

jlr Z ZGP 1 — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — —

щ сс

LiGaSe2 т _

н о LilnSe2 ■ — в в - в в ■ — — — — — — — — — — — — — — — — —

яш ■

а. ZnSe

¡4

GaAs

>к

2 GaSe _ _

к

CdSe _

<и ■

К с* <и К BaGaGeSe6 ■ 3 3 3 3 3 ■

BGSe AgGaSexS2(l+x) BBSS ■ щ — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — —

*

AGSE — ш ■

BGS ЯШ 1—

1 К _

LID ■т * *

LGS т

HGS I

AGS ( ) г В 3 2( ю 3 — - 4( ю — — — 6( Ю — — — 8( Ю — — — 10 оо 1 — — 12 00

Порог оптического разрушения МВт/см2

Рис. 1. Порог лучевой стойкости НК

Максимальная теплопроводность нелинейных кристаллов

TI4Hgl6 InSb InP In As GaP CdSiP2 ZGP

| LiGaSe2

н LilnSe2

g, ZnSe

¡4

GaAs

§3 GaSe

>ss

Й CdSe

s

g BaGaGeSe6 <ü

Я BGSe

AgGaSexS2(l+x) AGSE BGS US LGS HGS AGS

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Теплопроводность Вт/(мК)

Рис. 2. Теплопроводность НК

Эффективная нелинейность

Щ

сс

и

о

CU US

-г —

г>

5

Г!

<и

X

InSb In As CdSiP2 LiGaSe2 ZnSe GaSe BaGaGeSe6 AgGaSexS2(l+x) BGS LGS AGS

1

1

_____

—1—1-Г"

-

а

__

-

10 20 30 40 50 60 70 80 Оптическая нелинейность (им/В)

90

Рис. 3. Классификация НК по эффективной нелинейности

Заключение

Таким образом, спектральные и физико-химические параметры вновь синтезированных нелинейно-оптических кристаллов позволяют разрабатывать высокоинтенсивные перестраиваемые по частоте источники света с узкой спектральной шириной излучения в ближнем и среднем ИК диапазонах длин электромагнитных волн.

Благодарности

Работа выполнена при поддержке РФФИ (грант №19-45-700003).

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Айрапетян В. С., Маганакова Т. В. Обнаружение и измерение параметров наркотических веществ с помощью перестраиваемого ИК-лазера / Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2014. Х Междунар. науч. конгр.: Междунар. науч. конф. «СибОптика-2014»: сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 8-18 апреля 2014 г.). Новосибирск: СГГА, 2014. - Т. 2. - С. 199-204.

2. Айрапетян В. С., Маганакова Т. В. Лазерное зондирование в задаче обнаружения и измерения параметров наркотических веществ // Вестник СГГА. - 2014. - Вып. 2 (26). -С. 40-46.

3. Айрапетян В. С., Маганакова Т. В. Расчет концентрации наркотических веществ методом дифференциального поглощении и рассеяния / Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2015. XI Междунар. науч. конгр.: Междунар. науч. конф. «СибОптика-2015»: сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 13-25 апреля 2015 г.). - Новосибирск: СГУГиТ, 2015. - Т. 1. - С. 141-147.

4. Webber, M.E.; Pushkarsky, M.; Patel, C.K.N. Optical detection of chemical warfare agents and toxic industrial chemicals: Simulation. J. Appl. Phys. 2005, 97, 113101.

5. Boyko, A.A.; Marchev, G.M.; Petrov, V.; Pasiskevicius, V.; Kolker, D.B.; Zukauskas, A.; Kostyukova, N.Y. Intracavity-pumped, cascaded AgGaSe2 optical parametric oscillator tunable from 5.8 to 18 |m. Opt. Express 2015, 23, 33460-33465.

6. Vodopyanov, K.L.; Ganikhanov, F.; Maffetone, J.P.; Zwieback, I.; Ruderman, W. ZnGeP2 optical parametric oscillator with 3.8-12.4 |m tunability. Opt. Lett. 2000, 25, 841-843.

7. Chen, Y.; Liu, G.Y.; Yang, C.; Yao, B.Q.; Wang, R.X.; Mi, S.Y.; Yang, K.; Dai, T.Y.; Duan, X.M.; Ju, Y.L. 1 W, 10.1 |m, CdSe optical parametric oscillator with continuous-wave seed injection. Opt. Lett. 2020, 45, 2119-2122.

8. Zhao, B.R.; Chen, Y.; Yao, B.Q.; Yao, J.Y.; Guo, Y.W.; Wang, R.X.; Dai, T.Y.; Duan, X.M. High-efficiency, tunable 8-9 |m BaGa4Se7 optical parametric oscillator pumped at 2.1 |m. Opt. Mater. Express 2018, 8, 3332-3337.

9. Mackanos M. A. W., Simanovskii D., Joos K. M., Schwettman H. A., Jansen E. D. Mid infrared optical parametric oscillator (OPO) as a viable alternative to tissue ablation with the free electron laser (FEL) // Lasers Surg. Med. 2007. Vol. 39. P. 230-236.

10. Bigotta S., Stoppler G., Schoner J., Schellhorn M., Eichhorn M. Novel non-planar ring cavity for enhanced beam quality in high-pulse-energy optical parametric oscillators // Opt. Materials Express. 2014. Vol. 4, N 3. Р. 411-423.

11.Gerhards, M. High energy and narrow bandwidth mid IR nanosecond laser system. Opt. Commun. 2004, 241, 493-497.

© В. С. Айрапетян, А. В. Макеев, 2022