Устройство генерации второй гармоники лазерного излучения на основе высокоомных кристаллов KTiOPO4 с регулярными доменными структурами Текст научной статьи по специальности «Физика»

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: [email protected]

Чуманов Михаил Владиславович

Аспирант каф. электронных приборов (ЭП) ТУСУРа, инженер ООО «Кристалл Т» Тел.: +7-953-923-14-01 Эл. почта: [email protected]

Серебренников Леонид Яковлевич

Канд. техн. наук, доцент каф. ЭП, зам. директора ООО «Кристалл Т» Тел.: +7-953-912-83-53 Эл. почта: [email protected]

Краковский Виктор Адольфович

Д-р техн. наук, профессор каф. ТОР, директор ООО «Кристалл Т» Тел.: +7 (382-2) 53-50-40 Эл. почта: [email protected]

Гнатышин Алексей Романович

Магистрант каф. ЭП

Тел.: +7-923-403-43-01

Эл. почта: [email protected]

Злобин Андрей Олегович

Магистрант каф. ЭП

Тел.: +7-906-950-09-15

Эл. почта: [email protected]

Шараева Анастасия Евгеньевна

Технолог-оптик ООО «Кристалл Т» Тел.: +7-952-183-66-96 Эл. почта: [email protected]

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.