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.

Во многих лабораториях мира ученые активно изучают возможности создания высокоэффективных, мощных и компактных лазеров, генерирующих пучки излучения в среднем инфракрасном (ИК) диапазоне (в частности, в диапазоне длин волн от 2 до 10 мкм) [1,2]. Значимость проблемы может быть кратко сформулирована в следующих пунктах стратегии научно-технологического развития Российской Федерации: персонализированная медицина, чистое агрохозяйство, противодействие техногенным угрозам и терроризму, ответы общества на большие вызовы с учетом взаимодействия человека и природы, человека и технологий. Эти пункты включают решение множества научных и практических задач [3-5]. Разрабатываемые нелинейные кристаллы халькогенидных соединений характеризуются широким спектром пропускания и большим диапазоном реализации синхронизма, а также высокой оптической стойкостью. В последние годы за рубежом (в США, Западной Европе, Китае и Японии) активно исследуются кристаллы этой группы, но чаще изучение ограничивается расчетными данными с использованием теории функционала электронной плотности (DFT) на базе рентгеноструктурных данных (из первых принципов) [6]. Это хороший путь для быстрой оценки потенциала материала, но для того, чтобы определить нишу эффективного применения кристалла, необходимо вырастить его в хорошем качестве, провести испытания в лазерных системах в разных режимах: нано-, пико-, фемтосекундном. В процессе выполнения проекта № 19-12-00085 были отобраны и апробированы в разных лазерных схемах широкозонные кристаллы халькогенидов. Продолжение работ будет связано с улучшением качества кристаллов, усовершенствованием технологии их роста и процесса отжига. Будет продолжен поиск нелинейных кристаллов халькогенидов в системе Li/Ag/Ba/Ga/Se/Te с высокой нелинейностью и высоким порогом оптического пробоя, а также кристаллов в ряду твердых растворов AgхLi1-хGa2Se4 (х=0.3, 0.6, 09) и с частичным замещением селена на теллур, с достаточно высокими значениями двулучепреломления, обеспечивающими наиболее широкий диапазон перестройки лазерного излучения. На основании изучения оптических характеристик, оценки оптической стойкости будет сделан выбор наиболее перспективного материала в соответствии с требованиями, предъявляемыми к нелинейным преобразователям в твердотельных лазерных системах среднего ИК диапазона с высокой средней мощностью. Отдельной задачей проекта, направленной на достижение основной цели, является исследование процесса создания периодических структур с разным периодом и конфигурацией доменов на базе монодоменных сегнетоэлектрических монокристаллов ATiOAsO4 (A=K, Rb). Для КТА этот вопрос практически решен в рамках завершенного проекта. Для RТА, как показали исследования, необходимо изучение взаимосвязи условий роста, процесса монодоменизации и создания устойчивых периодических структур РРRTA. На основании уже полученных данных можно сделать вывод, что для эффективного применения кристаллов необходимо найти приемлемые параметры лазеров накачки [7]. Для каждого кристалла есть свои сильные и слабые стороны, и проблему нужно решать комплексно. С одной стороны, выращивать кристаллы более высокого качества, внести понимание, какие дефекты для каких режимов накачки (нано-, пико-, фемтосекундной) нежелательны. С другой стороны, конструкция лазера накачки должна обеспечить наиболее щадящий режим, ниже порога пробоя кристалла. Такой подход редко реализуется, поскольку группы, выращивающие кристаллы и использующие их, мало взаимодействуют. В нашем случае создалась уникальная возможность объединить специалистов с разными компетенциями: ученые, которые имеют признанный в мире опыт поиска и создания оптических нелинейных кристаллов , перестраивающих частоту лазерного излучения в среднем ИК диапазоне, и ученых, разрабатывающих новые широко перестраиваемые лазерные системы. Создание пикосекундной лазерной системы на основе Nd:YAG лазера с 2-х каскадной параметрической перестройкой в области 1.5- 2.2 мкм и 6-10 мкм на базе новых широкозонных нелинейных кристаллов обеспечит широкие возможности исследования и поиска условий устойчивой работы нелинейных преобразователей. Первый каскад будет использован для аттестации нелинейно-оптических кристаллов, которые будут использованы для преобразования в среднем ИК диапазоне во втором каскаде. В рамках проекта разрабатываются гибридные твердотельные лазерные системы с волоконно-лазерной накачкой и с преобразованием излучения в средний ИК диапазон (в частности, на длины волн 3-10 мкм) с помощью параметрических генераторов света (ПГС) с использованием нелинейных монокристаллических преобразователей. Параметры разрабатываемых лазерных систем среднего ИК диапазона являются рекордными на современном уровне развития твердотельной лазерной техники. Их достижение требует поиска новых подходов: использования новых нелинейно-оптических материалов, а также новых схемных решений и методов нелинейно-оптического преобразования. Прикладными задачами проекта являются перспективные решения для создания опытных макетных образцов лазерных источников среднего ИК диапазона , которые послужат основой для создания приборов медицинской хирургии и диагностики ряда заболеваний, а также приборов дистанционной диагностики газовых компонентов и лазерных источников среднего ИК диапазона для прецизионной обработки материалов (полимеров, многослойных структур).