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

1.5.1. Получена новая серия кристаллов LixAg1−xGaSe2 для преобразования частоты лазерного излучения в среднем ИК диапазоне, исследована эволюция их структурных и оптических свойств. Было выявлено, что тетрагональная структура этих соединений устойчива в широком диапазоне x от 0 до ≈ 0.9, что существенно отличается от их сульфидных аналогов LixAg1−xGaS2, которые сохраняют ту же симметрию в относительно узком диапазоне 0.21 < x < 0.63. Коэффициент NLO в LixAg1−xGaSe2 максимален при x = 0.8 (≈ 43.5 пм/В) согласно экспериментальным данным, что согласуется с теоретическими данными о том, что максимальное значение наблюдается при x = 0.7–0.9 (≈27 пм/В). Расчеты из первых принципов показывают, что значение двулучепреломления варьируется от 0.065 до 0.005 (x = 0- 0.9) и уменьшается с увеличением содержания Li. Рациональная замена между Li и Ag значительно улучшила баланс свойств NLO в LixAg1−xGaSe2. Оптимальное сочетание коэффициента NLO (26-40 пм/В) и двулучепреломление (0.03– 0.02) достигается при x = 0.4–0.6. Кристалл Li0.5Ag0.5GaSe2 имеет довольно большую ширину запрещенной зоны 2.2 эВ, значение лучевой стойкости в пять раз выше, чем у AgGaSe2. 1.5.2. Техникой квазифазового синхронизма (QPM) фазовое согласование достигается за счет периодической пространственной модуляции нелинейного коэффициента по направлению распространения. Самый эффективная реализация QPM происходит, когда знак нелинейного коэффициента периодически инвертируется, что достигается за счет периодической инверсии доменов в сегнетоэлектрическом материале. Создание периодических структур на базе сегнетоэлектрических кристаллов RbTiOAsO4, как и КTiOAsO4, сопряжено с поиском условий выращивания этих кристаллов, характеристики которых удовлетворяют следующим требованиям: высокое оптическое качество, монодоменность, высокая лучевая стойкость, сопротивление порядка 10^-10 – 10^-11 Ом^-1 см^-1, низкое коэрцитивное поле для разворота вектора спонтанной поляризации доменов. Работа сосредоточена на поиске условий роста кристаллов, свойства которых позволят получить устойчивые периодические структуры без самопроизвольного переключения. Чтобы понять, как устранить это явление, кристаллы выращивали из разных составов. Монокристаллы RTA выращивали усовершенствованным методом Чохральского из флюса (TGGS) на затравку (100) при вариации состава расплава и начальной температуры роста. В опытах меняли состав: отношение Rb/As от 1.6 до 1.8 в растворителе, концентрацию RbTiOAsO4 варьировали от 25% до 32%. При этом менялась температура начала кристаллизации от 890С до 940С. Совершенно очевидно общее правило: чем разбавленнее раствор, тем выше температура Кюри, и тем более стехиометричны кристаллы. Это отражает тот факт, что при меньших концентрациях растворенного вещества кристаллизация протекает из более богатых растворов ионами рубидия по отношению к титану. Такому режиму среди наших кристаллов RTА соответствует составы расплава: Rb/As – 1.6, С=25% (RTА-1); Rb/As – 1.8, С=30% (RTА-5); Rb/As – 1.8, С=27.8% (RTА-6). Для найденных условий роста кристаллов RTА точка Кюри (Tc) около 800С. 1.5.3. Для исследований электрических свойств, монодоменности и процесса создания регулярной доменной структуры из выращенных в новых условиях кристаллов RТА были приготовлены образцы. Они представляли собой пластинки, вырезанные перпендикулярно полярной оси. Сопротивление образцов составляло от 10^-11 – 10^-12 Ом^- 1 см^-1. Анализ пьезоэлектрического и пироэлектрического откликов образцов показал, что все образцы, кроме образца RTA-03, являются монодоменными. В образце RTA-03 вероятно наличие заряженной доменной стенки в объеме, которое может быть связано с дополнительным отжигом данного образца. Для исследования переключения поляризации с одновременной регистрацией тока переключения и визуализацией эволюции доменной структуры использовалась установка на основе оптического поляризационного микроскопа, высокоскоростной камеры, платы сбора данных и высоковольтного усилителя. Установлено, что для всех исследованных образцов во всем исследованном диапазоне полей переключения эволюция доменной структуры одинакова и состоит из следующих стадий: (1) образование на краю электрода ориентированных узких полосовых доменов с их быстрым ростом вдоль кристаллографического направления Y к противоположному краю электрода, (2) уширение полосовых доменов, в том числе за счет слияния с соседними доменами. При этом достаточно часто наблюдалось неоднородное образование полосовых доменов только на одном крае электрода. Следует отметить, что данный тип эволюции доменной структуры исключительно перспективен для создания регулярных доменных структур, так как позволяет контролировать уширение образовавшихся полосовых доменов за счет использования полосовых электродов, созданных методами фотолитографии. По прошествии некоторого времени после выключения поля, которое зависело от амплитуды переключающего импульса, было обнаружено самопроизвольное обратное переключение доменной структуры с полным восстановлением исходного монодоменного состояния. Установлено, что длительность удержания переключенного состояния линейно возрастает с ростом амплитуды переключающего импульса для всех образцов RTA. Максимальная полученная длительность удержания переключенного состояния составила 130 секунд. Показано, что для исследованных образцов зависимость времени переключения от амплитуды переключающего импульса подчиняется активационному закону. При этом для образцов RTA-1, RTA-5 и RTA-6 экспериментальные точки ложатся на одну кривую со следующими параметрами: Eac = (120 ± 20) кВ/мм, Eb = (3.4 ± 0.1) кВ/мм. 1.5.4. Разработаны оптимальные схемы создания пикосекундной лазерной системы в среднем ИК диапазоне на основе новых широкозонных нелинейных кристаллов в 2-х каскадной конфигурации с накачкой Nd:YAG лазером. Исследованы теоретически и экспериментально особенности спонтанного параметрического усиления при взаимодействии Iтипа (ее-е) в fan-out MgO-PPLN кристаллах при накачке импульсами длительностью 90 пс с частотой следования 10 Гц на длине волны 1.064 мкм (лазер APL2106). Экспериментально реализовано спонтанное параметрическое усиление в fan-out MgO-PPLN кристалле. Для оптимизации параметров излучения в области 2 мкм разработана трехмерная модель спектрально-углового распределения спонтанного параметрического усиления в fan-out MgO-PPLN кристалле и создана программа. Результаты численного моделирования хорошо согласуются с экспериментальными данными. При уменьшении периода домена наблюдается формирование конусообразной структуры и значительное увеличение расходимости излучения. На основе проведенных экспериментальных и теоретических исследований выбран оптимальный режим параметрического усиления в fan-out MgO-PPLN кристалле. При энергии накачки 7 мДж в области 2128 нм достигнута энергия до 200 мкДж с гауссовым пространственным профилем. Для увеличения энергии излучения в области 2 мкм разработан и экспериментально реализован дополнительный каскад параметрического усиления на основе двух последовательно расположенных кристаллов КТР. При расстоянии между кристаллами около 1.5 мм пространственное распределение усиленного излучения близко к гауссову профилю с эллиптичностью более 90% и с энергией в импульсе порядка 1 мДж (при использовании импульсов накачки после прохождения fan-out MgO-PPLN кристалла). Источник излучения в области 2 мкм с пикосекундной длительностью импульсов может масштабироваться по энергии генерируемых импульсов при увеличении апертуры fan-out MgO-PPLN и КТР кристаллов или при использовании дополнительной инжекции излучением с длиной волны 2 мкм, так как максимальная энергия импульсов накачки лазера APL2106 может достигать величины 1 Дж. Рассчитаны перестроечные кривые для параметрического усиления в кристалле BaGa4Se7 с накачкой в области 2.128 мкм. На основе их анализа разработана схема двухкристального параметрического усилителя на кристаллах BaGa4Se7 (о-ее взаимодействие, Theta=45, Phi=0) с генерацией суперконтинуума в области 6-10 мкм.