CC BY
30
УДК 621.373.7
ШИРОКОПОЛОСНОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЧАСТОТЫ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В КРИСТАЛЛЕ ZnGeP2
A.A. Ионин, И.О. Кинясвский, Ю.М. Климачсв
В работе проведён расчёт и анализ условий фазового синхронизма, в кристалле ZnGeP2 с точки зрения широкополосного преобразования, частоты, излучения, в среднем, ИК диапазоне. Проведен расчёт преобразования, частоты, излучения Cr:ZnS лазера, в кристалле ZnGeP2, де-льонстрирующий возможность создания, широкополосного лазерного источника, спектр которого перекрывает интервал длин волн 3.2 — 9.5 мкм.
Ключевые слова: параметрическая генерация, лазер среднего ИК диапазона, широкополосный лазер.
Введение. Источники когерентного излучения среднего ИК диапазона (длина волны излучения 2 20 мкм) представляют большой интерес для широкого спектра научных и технологических применений, таких как спектроскопия, фотохимия, фотобиология и многие другие. Несмотря на широкое развитие лазерных технологий, в настоящее время ведутся активные разработки лазерных источников среднего ИК диапазона с целью расширения спектральных диапазонов генерации и повышения мощности излучения [1]. Особый интерес представляют широкополосные лазерные источники среднего ИК диапазона, спектр которых охватывает важные "окна прозрачности атмосферы" и полосы поглощения многочисленных молекулярных газов [2 5]. В лаборатории Газовых лазеров ФИАН был разработан широкополосный лазерный источник, действующий на ~700 спектральных линиях одновременно в диапазоне длин волн от 2.5 до 8.3 мкм, основанный на совместной генерации суммарных и разностных частот неселективного излучения СО лазера в кристалле ZnGeP2 [4, 5]. При этом эффективность преобразования частоты излучения СО лазера в кристалле ZnGeP2 может достигать 25%-37% [6, 7]. В данной работе вопрос возможности широкополосного преобразования частоты
2
ФИАН, 119991 Россия, Москва, Ленинский пр-т, 53; e-mail:kigor@sci.lebedev.ru.
га| + п<2 = «3
А2 Аз
1 Ах + 1 А2 1 Аз
метод создания широкополосного оптического параметрического генератора среднего ИК диапазона.
Методика и результаты расчётов. В работах [4. 5] совместная генерация суммарных и разностных частот неселективного излучения СО лазера в одном кристалле ЕпСеР2 происходила благодаря совпадению углов фазового синхронизма (ФС) этих процессов при угле ФС, близком к углу некритичного спектрального ФС генерации второй гармоники по I типу (46.5°). Поэтому В ДсШНОИ работе проведены расчёты диаграмм ФС (рис. 1) кристалла ЪпСеР2 для углов 47.0°, 48.0° и 49.0°, близких к углу некритичного спектрального ФС генерации второй гармоники по I типу. Диаграммы рассчитывались по системе уравнений:
: «2 _ П°3
" (1)
где П\,П2,Пз - показатели преломления для излучения "е" или "о" поляризации на длинах волн А1, А2, Аз; соответственно. Показатели преломления рассчитывались по дисперсионным уравнениям из [8].
Диаграммы на рис. 1(а) демонстрируют следующее: излучение с какими длинами волн А1;2 образуется при накачке кристалла ЕпСеР2 коротковолновым излучением с длиной волны А3 при заданном угле ФС. Левая ветвь диаграмм при рассматриваемых углах ФС почти вертикальная. Это означает, что, например, при накачке кристалла излучением с длиной волны А3 ~2.7 мкм под углом фазового синхронизма 47.0°, возможно формирование излучения в широком диапазоне длин волн от 4.5 мкм до 7.0 мкм.
Отклонение левой ветви диаграмм от вертикали увеличивается с ростом угла ФС, однако оно может быть компенсировано спектральной шириной ФС и использованием излучения накачки с широким спектром. На рис. 1(6) представлена диаграмма ФС 49.0°
преобразованного излучения при отстройке от точного ФС обозначено изменением тона. Зависимость эффективности преобразования от волновой расстройки в приближении плоских волн и заданного поля определяется по формуле [9]:
. 2( Ак •Ь\
а = 8111 с2 ^ 2 ^ , (2)
где этсж = вт(ж)/ж, Ак - волновая растройка, Ь - длина кристалла (10 мм).
Рис. 1(6) демонстрирует, что в кристалле ЪпСеР2 при угле ФС 49.0° возможна сверхширокополосная параметрическая генерация излучения в интервале длин волн
(а)
(б)
- А < 0.3
Ю-.
12-
• 0.3 <А<0.5
• 0.5 <А < 0.8
• 0.8 < А < 1
2.2
2.6
3.0
3.4
2-
Х>х, мкм
2 2.5 3 3.5 4 мкм
Рис. 1: Зависимость формируемых длин волн А^2 от длины волны А3 излучения накачки в кристалле ZnGeP2 при углах ФС 47.0°, 48.0° и 49.0° (а); при угле ФС 49.0° с учетом спектральной ширины ФС (б).
А12 = 3 — 10 мкм, при накачке кристалла излучением с длиной волны А3 ~ 2.3 мкм. Более детально зависимость коэффициента А от длины волны А^и А2 при фиксированных значениях А3 = 2.3 мкм и А3 = 2.4 мкм представлена на рис. 2. На рис. 2 наглядно продемонстрировано, какие длины волн А^ преобразованного излучения можно получить при накачке монохроматическим излучением с соответствующей дли-
А3
Зависимость коэффициента А от длины волн А^ имеет форму пиков, связанных с изгибами левой ветви диаграммы ФС (рис. 1(6)). Для каждого значения длины волны А3 пики зависимости А(А\2) заполняют интервал длин волн 3-10 мкм лишь частично. Несмотря на это, полного заполнения интервала длин волн А^ = 3 — 10 мкм можно достичь, подбирая ширину спектра излучения накачки.
Для осуществления широкополосной генерации излучения среднего ИК диапазона в качестве лазера накачки кристалла ZnGeP2 может применяться излучение Сг^пЭ лазера. Проведено моделирование параметрического преобразования частоты излучения фемтосекундного Сг^пЭ лазера, описанного в работе [10]. Расчёты осуществлены для спектра излучения Сг^пЭ лазера, имеющего гауссову форму с центральной длиной волны 2.385 мкм и спектральной шириной 91 нм, взятого из работы [10] (рис. 3). Расчёт осуществлялся в приближении плоских волн и заданного поля.
Рис. 2: Коэффициент А в зависимости от длины волны Ах(А2) для А3 = 2.3 мкм и А3 = 2.4 мкм.
Wavelength,
Рис. 3: Спектр излучения Cr:ZnS лазера [10].
Спектр накачки разбивался на монохроматические компоненты, далее для каждой монохроматической компоненты излучения накачки проводился расчёт спектра преобразованного излучения, полный спектр преобразованного излучения получался суммой спектров от каждой компоненты. В расчёте учитывалось уменьшение мощности длинноволновой части преобразованного спектра, связанное с уменьшением энергии фото-
для спектра излучения накачки, показанного на рис. 3, составил 48.6°.
Н
0.8-
5 0.6-
0.2-
0+W
2 3
4 5 6 7 8 9 10 11
т 1 I 1 I 1 I 1 I 1 I • I ■ г
Xi 2? мкм
2
3
Нормированный спектр преобразованного излучения, полученный для описанных выше условий, представлен на рис. 4.
Спектр на рис. 4 перекрывает широкий интервал длин волн от 3.2 мкм до 9.5 мкм. Стоит отметить, что описанный вариант сверхширокополосной параметрической гене-
2
2
ре от 47° до 49°, требуется подобрать лазер с подходящим спектром излучения накачки (см. рис. 1(а)).
2
для углов, близких к углу некритичного спектрального ФС генерации второй гармоники по I типу, показывают возможность широкополосной параметрической генерации излучения среднего ИК диапазона. Численное моделирование показало, что при накачке кристалла ZnGeP2 под углом фазового синхронизма 48.6° излучением Сг^пЭ лазера [10] возможна широкополосная генерация излучения, перекрывающая интервал длин волн 3.2-9.5 мкм.
Работа частично поддержана Учебно-научным комплексом ФИАН.
[1] Majid Ebrahim-Zadeh and Irina T. Sorokina, Mid-Infrared Coherent Sources and Applications, NATO Science for Peace and Security Series B: Physics and Biophysics
ЛИТЕРАТУРА
(Springer, 2008).
[2] Fritz Iveilmaim and Sergiu Amarie, J. Infrared. Millimeter. Terahertz Waves 33. 479 (2012).
[3] Xick Leindecker, Alireza Marandi. Robert L. Byer and Ivonstantin L. Vodopyanov,
Opt. Exp., 19(7), 6297 (2011).
[4] A. A. Ionin, I. 0. Ivinyaevskiy, Yu. M. Ivlimachev, et al., Optics Letters 37, 2838
(2012).
[5] К). M. Андреев, А. А. Ионин, И. О. Киняевский и ;> Квантовая электроника 43(2), 139 (2013).
[6] A. A. Ionin, J. Guo, L.-M. Zhang, et. al., Laser Physic. Letters 8(10), 723 (2011).
[7] О. В. Будилова, С. П. Деревяттткин, А. А. Ионин и др.. Тезисы докладов III международной молодежной научной школы "Современные проблемы физики и технологииНИЯУ МИФИ, Москва, Россия, 2014 (НИЯУ МИФИ, МОСКВА 2014) (в печати).
[8] D. X. Xikogosyan, Nonlinear Optical Crystals: A Complete Survey (Xew York, Springer, 2005).
[9] Э. С. Воронин, В. Л. Стрижевспий, Успехи физических наук 127(1), 99 (1979). [10] Xikolai Tolstik, Evgeni Sorokin and Irina T. Sorokina, Optics Letters 38(3), 299 (2013).
Печатается, no материалам III Международной молодежной научной школы-конференции "'Современные проблемы физики и технологий", Москва, МИФИ, апрель 2014 г.
Поступила в редакцию 8 мая 2014 г.
