Разработка новых эффективных нелинейных преобразователей частоты лазерного излучения на базе периодически поляризованных структур для твердотельных лазерных систем среднего инфракрасного диапазона с высокой средней мощностью и хорошим качеством пучка

В рамках проекта получены крупные кристаллы класса халькогенидов, содержащие литий LiGaC2 (C=S,Se,Te) с высокими значениями ширины запрещенной зоны и лучевой стойкости (около 4.15 эВ, >240 МВт/см2 для LiGaS2, соответственно). Для этой группы кристаллов значение нелинейного показателя преломления (n2) в 15-20 раз ниже, чем у AgGaS2, рассогласование групповых скоростей значительно ниже, чем у других халькогенидов. Все эти характеристики позволяют реализовать нано-, пико-, фемтосекундные преобразования в среднем ИК диапазоне. Впервые получены кристаллы состава LiGa0.5In0.5Te2 (тетрагональная структура I-42d), прозрачные в диапазоне 0.76−14.8 мкм, с шириной запрещенной зоны Eg=1.837эВ при 300 K. По теоретическим оценкам (из первых принципов) двулучепреломление Δn=0.04, нелинейный коэффициент d14=d36=−48.73пм/В. Выращены кристаллы BaGa4Se7 (BGSe) с широкой запрещенной зоной (Eg = 2.64 эВ), широким диапазоном прозрачности в среднем ИК (от 0.47 до 18 мкм по уровню прозрачности 0%) и высокой лучевой прочностью. Впервые в мире получены крупные кристаллы AgLiGa2Se4, оптического качества со структурой халькопирита (I-42d). Установлено, что кристалл AgLiGa2Se4 - положительный одноосный во всем диапазоне прозрачности от 0.57 до 19 мкм, оценено двулучепреломление (Δn> 0.02). Теоретически (из первых принципов) и экспериментально (методом Куртца-Перри при λ = 1.910 мкм, τ = 20 нс, P = 100 мВт) определен нелинейно-оптический коэффициент dэфф: 26.5 и 26.0 пм/В, соответственно. Измерения показали, что порог лучевой стойкости AgLiGa2Se4 в 5 раз превышает значения для AgGaSe2 (τ =6 нс, λ = 1.053 мкм), тогда как при τ= 0.5 нс величина превышает 1 ГВт/см2 (λ = 1.064 мкм, 1000 Гц). На призме измерены дисперсионные характеристики и подобрана форма уравнений Селлмейера. Получены экспериментальные данные о преобразовании 5.0 мкм во вторую гармонику, подтверждающие правильность расчета уравнений Селлмейера. Выращены крупные монодоменные кристаллы КTiOAsO4(KTA), RbTiOAsO4(RTA), исследованы их оптические и электрические свойства, изучена insitu кинетика образования доменов при приложении однородного электрического поля с высоким временным разрешением, определены основные этапы эволюции доменной структуры, основные типы доменных стенок. Впервые в России на основе КТА изготовлены периодические структуры с разным периодом и конфигурацией доменов, включая веерную геометрию. Отработаны методы обработки поверхности и нанесения просветляющих покрытий. Получена высокоэффективная параметрическая генерация на основе периодически-поляризованных кристаллов РРКТА. Для исследований нелинейных кристаллов в среднем ИК диапазоне создан новый экспериментальный стенд, лабораторные образцы лазеров Ho:YAG с накачкой непрерывным излучением тулиевого волоконного лазера на длине волны 1908 нм мощностью до 52 Вт. Сфокусированное излучение 2.091 мкм Ho3+:YAG лазера с наносекундной длительностью импульса было использовано для тестирования пробоя поверхностей нелинейно-оптических образцов LiGaTe2 (LGT), BaGa4Se7 (BGSe), BaGa2GeSe6 (BGGSe), KTiOAsO4 (KTA). На основании полученных данных выбраны наиболее перспективные халькогенидные кристаллы: LiGaS2, LiGaSe2, AgLiGa2Se4, BaGa4Se7, BaGa2GeSe6, для которых оценена оптическая стойкость в МВт/см2. Проанализированы результаты экспериментальных и теоретических исследований ПГС среднего ИК диапазона с использованием нелинейного элемента BGSe. Создан лабораторный макет ПГС с перестройкой длины волны генерации в диапазоне 3-10 мкм с накачкой Nd:YLF лазером с модуляцией добротности на длине волны 1053 нм. Получена перестройка длины волны ПГС на основе нелинейного кристалла BGSe от 2.6 до 10.4 мкм при использовании первого типа взаимодействия (o-ee) в Y-плоскости. Был создан источник излучения в области 2 мкм с накачкой лазером в области 1.053 мкм. Исследована зависимость энергии сигнальной и холостой волны вблизи вырождения. Для получения ПГС в диапазоне 3.7 - 5 мкм в структурах PPКТА при накачке твердотельным лазером в районе 2-х микронного диапазона (в режиме, близком к вырожденному) был создан новый лазер на кристалле Tm3+:YAP, который накачивался излучением волоконного лазера на длине волны 1.67 мкм. Лазер на кристалле Tm3+:YAP генерировал на длине волны 1896 нм в непрерывном и импульсно-периодическом режимах. Мощность генерации в непрерывном режиме достигала 15 Вт в основной моде (при структуре пучка близкой к гауссовой). Средняя по времени мощность импульсно-периодического излучения достигала 7 Вт в основной моде (при высоком качестве пучка, близком к дифракционному пределу). Создан лазерный генератор на кристаллах Сr2+:ZnSe(S) с накачкой двухмикронным излучением лазеров на кристаллах Ho:YAG. Средняя мощность генерации Cr2+:ZnSe лазера достигала 3.5 Вт при частоте повторения импульсов 20 кГц. Даны рекомендации для создания образца мощной и компактной лазерной системы среднего ИК диапазона на основе ПГС, пригодного для натурных экспериментов.