CC BY
83
УДК 535.015
И.А. Паргачёв, М.В. Чуманов, Л.Я. Серебренников, В.А. Краковский, А.Р. Гнатышин, А.О. Злобин, А.Е. Шараева
Устройство генерации второй гармоники лазерного излучения на основе высокоомных кристаллов КТЮР04 с регулярными доменными структурами
Представлены результаты по формированию регулярной доменной структуры в кристаллах КТР и исследованию устройства для генерации второй гармоники лазерного излучения с длиной волны 1064 нм в кристаллических элементах на основе высокоомных кристаллов КТР с регулярными доменными структурами. Ключевые слова: генерация второй гармоники, нелинейная оптика, кристалл КТЮР04, лазерное излучение, регулярная доменная структура. ао1: 10.21293/1818-0442-2017-20-3-155-158
Для генерации второй гармоники (ГВГ) лазерного излучения в большинстве случаев используются однородные кристаллы с квадратичной нелинейностью, в которых выполняются условия фазового синхронизма двух оптических волн - накачки и второй гармоники [1]. В таких кристаллах эффективная нелинейность описывается совокупностью элементов тензора нелинейных коэффициентов кристалла, и всегда меньше значения максимального элемента тензора [2].
Использование для генерации второй гармоники кристаллов с регулярной доменной структурой (РДС) дает возможность реализовать такие типы нелинейного взаимодействия, при которых эффективная нелинейность будет равна максимальному значению элемента тензора нелинейных коэффициентов кристалла. Таким образом, использование кристаллов с РДС позволяет получать более высокие количественные и качественные характеристики преобразователей частоты лазерного излучения [3].
Область применимости устройств для ГВГ в различных направлениях использования лазерной техники, как правило, определяется характеристиками нелинейного кристалла. К основным характеристикам относятся следующие: высокие нелинейные коэффициенты, высокая лучевая стойкость, высокая механическая и химическая стабильность, высокая степень однородности монокристаллического материала и т.д. К таким материалам относится высокоомный кристалл КТЮР04 (ЯКТР) выращиваемый по технологии компании ООО «Кристалл Т» (г. Томск) [4].
Параметры РДС для ГВГ
Для удвоения частоты лазерного излучения в кристалле необходимо реализовать условие фазового синхронизма, которое описывается выражением к2 = 2к1, где к! и к2 - волновые векторы волн первой и второй гармоник соответственно. Если рассматривать скалярный синхронизм, то соотношение принимает вид к2 = 2к\.
Выполнение этих условий в кристалле ККТР возможно только для типов взаимодействия ssf и sff [5]. Однако максимальный элемент тензора нели-
нейных коэффициентов кристалла соответствует типу взаимодействия sss, при котором выполнение фазового синхронизма невозможно, т.е. волновая расстройка
Ак = к2 - 2к1 (1)
всегда будет отлична от нуля (Ак Ф 0). Кроме того, когерентная длина ¡С = тс(Ак) будет составлять
несколько микрометров.
Для увеличения эффективности ГВГ в нелинейном кристалле формируется такая РДС, чтобы толщина каждого домена была равна когерентной длине = 1С. В таком случае оптимальный период доменной структуры определяется выражением
л = 24. (2)
Формирование РДС в кристалле ККТР
Для формирования РДС были изготовлены плоскопараллельные пластины размерами 12x3,5^2 мм3 вдоль кристаллооптических осей х,у и г соответственно. На одной 2 грани пластин были сформированы токопроводящие электроды в виде решетки. С противоположной стороны были нанесены сплошные электроды под решёткой (рис. 1).
Л
3,5
1
ттштттжш
шжшмжшшлш
i
12
Рис. 1. Конфигурация электрода на кристаллической пластине
Период решетки рассчитывался с помощью выражения, вытекающего из (1) и (2):
Л=-
X
(3)
2(и(2ю)- «(ю)) '
где X - длина волны первой гармоники, «(ю) и «(2ю) - показатели преломления кристалла для излучения первой и второй гармоник соответственно.
При расчёте периода решётки использовались дисперсионные формулы для кристалла КТР из [2]. Использование различных дисперсионных формул дало разброс результатов вычисления шага решётки в диапазоне от 8,7 до 9,4 мкм при условии, что длина волны первой гармоники равна X = 1,064 мкм. В связи с этим были изготовлены образцы с градацией шага 0,05 мкм с целью определения оптимального периода РДС для кристалла ККТР.
Для переворота доменов в кристаллических пластинах к электродам прикладывалось напряжение 2,1-2,2 кВ/мм. Завершение процесса переворота доменов контролировалось оптическим методом, суть которого состоит в наблюдении за доменными стенками. Схема экспериментальной установки для наблюдения за доменными стенками представлена на рис. 2.
1
2
3
4
5
6
Рис. 2. Схема оптической установки для наблюдения за доменными стенками в кристаллических пластинах: 1 - Не-№ лазер; 2 - коллиматор; 3 - кристаллическая пластина с электродами; 4 - положительная линза; 5 - пространственный фильтр; 6 - цифровая камера
Излучаемый лазером 1 световой пучок проходит через коллиматор 2, в котором задается диаметр пучка, больший или равный длине решётки на кристаллической пластине 3. Проходящий через кристаллическую пластину свет дифрагирует на доменных границах. С помощью положительной линзы 4 и пространственного фильтра 5 отсекается нулевой порядок дифракции. Цифровая камера устанавливается в плоскости, где изображение границ кристаллической пластины и доменных стенок наиболее резкое. На рис. 3 представлен пример изображения границ доменов, полученных описанным методом.
Рис. 3. Изображение доменных стенок в кристалле ККТР, полученное оптическим теневым методом
Измерение эффективности ГВГ
Кристалл можно представить в виде большого количества соединенных вместе тонких кристаллических пластин, таких, что толщина каждой пластины ё много меньше когерентной длины (ё << 1С). Тогда разность фаз волн второй гармоники на выходе кристалла, каждая из которых была порождена в
отдельной тонкой пластине, будет определяться выражением
фг = -Д-(N-,)-ё + Дфг , (4)
где N - общее количество тонких пластин в кристалле; Дф, - дополнительный фазовый сдвиг, связанный с параметрами РДС. Если принять, что изменение интенсивности света с частотой второй гармоники на длине взаимодействия 1С много меньше интенсивности основного излучения, то амплитуды каждой из вышеупомянутых волн можно считать равными. В этом случае амплитуда волны второй гармоники на выходе кристалла будет являться результатом интерференции N волн с фазами ф,:
N
и = А в]ф' , (5)
г=1
где А - амплитуда каждой волны, участвующей в интерференции. А интенсивность волны второй гармоники будет определяться выражением
I = |и|2. (6)
Для определения дополнительного фазового сдвига Дф,- будем полагать, что в одном домене
толщиной 1ё укладывается целое количество кристаллических пластин толщиной ё:
¡ё = т • ё , (7)
а в одной когерентной длине укладывается целое число п пластин толщиной ё:
1С = п • ё . (8)
В таком случае выражение для дополнительного фазового сдвига Дф,- можно представить в следующей форме:
Дф, =
л, при бш!
Ц/-л-п -(/ё/4) 1)>0; 0, при бш^'-л-п-((ё/1С) *)<0.
(9)
Учитывая (9), интенсивность второй гармоники на выходе из кристалла с РДС является функцией, зависящей от отношения толщины домена и когерентной длины
I=/ 0ё/1с). (10)
На рис. 4 представлен график этой функции в окрестности точки равенства толщины домена и когерентной длины.
ч
' I >
0,992 0.996 1,000 1,004 1,008 УК Рис. 4. График функции интенсивности второй гармоники на выходе из кристалла с РДС ^ = 107, п = 104)
Из графика видно, что при равенстве толщины домена и когерентной длины интенсивность излучения второй гармоники максимальна, а при измене-
нии их отношения на 0,002 интенсивность света уменьшается на несколько порядков.
При изменении температуры кристалла с РДС будут изменяться толщина доменов и когерентная длина, что в свою очередь приведет к изменению их соотношения.
Для измерения эффективности ГВГ в кристалле ИКТР с РДС была собрана установка, схема которой представлена на рис. 5.
1
2
3
4
5
1
Рис. 5. Схема экспериментальной установки: 1 -лазер;
2,4 - линзы; 3 - образец; 5 - дисперсионная призма;
6 - цифровая камера
Лазер 1 генерирует световой пучок с длиной волны X = 1,064 мкм. Линзы 2 и 4 предназначены для формирования узкой перетяжки лазерного пучка и его коллимирования. Образец 3 закрепляется на элементе Пельтье и устанавливается в области перетяжки лазерного пучка. С помощью дисперсионной призмы 5 световые пучки с длинами волн первой и второй гармоник разделяются. Цифровая камера устанавливается в положение А или Б для измерения интенсивности излучения первой или второй гармоники соответственно.
Кристаллический элемент с РДС устанавливается таким образом, чтобы доменная решётка была коллинеарной с оптической осью схемы. Камера устанавливается в положение Б, после чего производится медленное охлаждение или нагревание кристаллического элемента с целью нахождения оптимальной температуры, при которой выполняется условие квазисинхронизма.
На рис. 6 представлена зависимость интенсивности второй гармоники от изменения температуры в элементе с периодом РДС Л = 8,94 мкм. Температура, при которой наблюдался максимум интенсивности, составила Т = 59,6 °С.
ЛТ, °С
-30 -20 -10 0 10 20 30 Рис. 6. Зависимость интенсивности излучения с частотой второй гармоники от изменения температуры
При установленной оптимальной температуре кристаллического элемента цифровая камера пере-
мещается в положение А и фиксируется интенсивность излучения с длиной волны первой гармоники /1(ю). После этого задается температура элемента, соответствующая минимуму интенсивности второй гармоники, и измеряется второе значение интенсивности излучения первой гармоники /2(ю). Так как во второй точке по температуре уровень оптического сигнала с частотой 2ю ниже чувствительности цифровой камеры и на несколько порядков ниже уровня сигнала в первой точке по температуре, то эффективность преобразования можно вычислить следующим образом:
/1(Ю)4
л=|1-
12(®)
•100%.
(11)
В обозначенном выше образце эффективность преобразования при плотности мощности излучения основной гармоники 9,3 МВт/см2 составила величину -п = 49,7% .
Заключение
В ходе работы были подобраны режимы формирования РДС в кристаллических пластинах ИКТР. При этом установлено, что для переворота доменов необходимо прикладывать внешнее электрическое поле порядка 2,1-2,2 кВ/мм. Также был определён период РДС при температуре кристалла 59,6 °С для ГВГ лазерного излучения с длиной волны Х=1,064 мкм в квазисинхронном режиме, величина которого составила 8,94 мкм.
Полученная эффективность преобразования частоты 49,7% при плотности мощности 9,3 МВт/см2 превышает значение эффективности преобразования в монодоменном кристалле при тех же условиях в 2,5 раза.
Полученные результаты исследований показывают возможность формирования РДС с микронным периодом в кристаллических пластинах ИКТР толщиной 2 мм и более. Принимая во внимание совокупность всех свойств кристалла ИКТР, этот материал является перспективным для разработки устройств преобразования частоты, параметрических осцилляторов, получения суммарных и разностных частот на РДС и их внедрение в действующие лазерные системы и комплексы.
Литература
1. Гречин С.Г. Генерация второй гармоники при одновременной реализации синхронного и квазисинхронного взаимодействия в нелинейных кристаллах с регулярной доменной структурой / С.Г. Гречин, В.Г. Дмитриев, Ю.В. Юрьев // Квантовая электроника. - 1999. - Т. 26, № 2. - С. 155-157.
2. Гурзадян Г.Г. Нелинейно-оптические кристаллы. Свойства и применение в квантовой электронике: справочник / Г.Г. Гурзадян, В.Г. Дмитриев, Д.Н. Никогосян. -М.: Радио и связь, 1991. - 160 с.
3. Гречин С.Г. Генерация второй гармоники в кристаллах с регулярной доменной структурой на двух типах взаимодействия / С. Г. Гречин, В. Г. Дмитриев // Квантовая электроника. - 2001. - Т. 31, № 10. - С. 929-932.
4. Выращивание и монодоменизация кристаллов семейства КТР / Ю.В. Кулешов, В.А. Краковский, Л.Я. Се-
ребренников и др. // Доклады ТУСУРа. - 2011. - Т. 24, № 2, ч. 2. - С. 112-115.
5. Дмитриев В.Г. Прикладная и нелинейная оптика / В.Г. Дмитриев, Л.В. Тарасов. - 2-е изд., перераб. и доп. -М.: Физматлит, 2004. - 512 с.
Паргачёв Иван Андреевич
Зав. лаб. нелинейной оптики ООО «Кристалл Т», Томск Тел.: +7-913-114-47-70 Эл. почта: underfin@mail.ru
Чуманов Михаил Владиславович
Аспирант каф. электронных приборов (ЭП) ТУСУРа, инженер ООО «Кристалл Т» Тел.: +7-953-923-14-01 Эл. почта: cmv-chuvi@rambler.ru
Серебренников Леонид Яковлевич
Канд. техн. наук, доцент каф. ЭП, зам. директора ООО «Кристалл Т» Тел.: +7-953-912-83-53 Эл. почта: silver.47@mail.ru
Краковский Виктор Адольфович
Д-р техн. наук, профессор каф. ТОР, директор ООО «Кристалл Т» Тел.: +7 (382-2) 53-50-40 Эл. почта: office1@crystalt.ru
Гнатышин Алексей Романович
Магистрант каф. ЭП
Тел.: +7-923-403-43-01
Эл. почта: gnatyshin.a.r@mail.ru
Злобин Андрей Олегович
Магистрант каф. ЭП
Тел.: +7-906-950-09-15
Эл. почта: zlobin.tusur@yandex.ru
Шараева Анастасия Евгеньевна
Технолог-оптик ООО «Кристалл Т» Тел.: +7-952-183-66-96 Эл. почта: silver.47@mail.ru
Pargachev I.A., Chumanov M.V., Serebrennikov L.Y., Krakovsky V.A., Gnatishyn A.R., Zlobin A.O., Sharaeva A.E. Second harmonic generation device of laser radiation based on high- resistive periodically poled KTiOPO4 crystal
The results of the work that consisted to form a periodically poled structure in KTP crystals and to investigate the device for second harmonic generation of laser radiation with a wavelength of 1064 nm in the crystal elements based on high-resistive periodically poled KTP crystals, are presented. Keywords: second harmonic generation, non-linear optic, KTiOPO4 crystal, laser radiation, periodically poled KTiOPO4.
