Механизмы деградации кристалла PPLN при генерации второй гармоники на длине волны 532 нм

Размещено на http://www.allbest.ru/

Механизмы деградации кристалла PPLN при генерации второй гармоники на длине волны 532 нм

1. Обзор литературы

1.1 История развития лазерной физики

История развития лазера берет начало в 1917 г., когда Альберт Эйнштейн впервые ввел представление о вынужденном испускании.

Это был первый шаг на пути к лазеру. Следующий шаг сделал советский физик В.А. Фабрикант, указавший в 1939 г. на возможность использования вынужденного испускания для усиления электромагнитного излучения при его прохождении через вещество. Идея, высказанная В.А. Фабрикантом, предполагала использование микросистем с инверсной заселенностью уровней. Позднее, после окончания Великой Отечественной войны В.А. Фабрикант вернулся к этой идее и на основе своих исследований подал в 1951 г. (вместе с М.М. Вудынским и Ф.А. Бутаевой) заявку на изобретения способа усиления излучения при помощи вынужденного испускания. На эту заявку было выдано свидетельство, в котором под рубрикой «Предмет изобретения» было написано: «Способ усиления электромагнитных излучений (ультрафиолетового, видимого, инфракрасного и радиодиапазонов волн), отличающейся тем, что усиливаем излучение пропускают через среду, в которой с помощью вспомогательного излучения или другим путем создают избыточною по сравнению с равновесной концентрацию атомов, других частиц или их систем на верхних энергетических уровнях, соответствующих возбужденным состояниями».

Первоначально этот способ усиления излучения оказался реализованным в радиодиапазоне, а точнее в диапазоне сверхвысоких частот (СВЧ диапазоне). В мае 1952 г. на Общесоюзной конференции по радиоспектроскопии советские физики Н.Г. Басов и А.М. Прохоров сделали доклад о принципиальной возможности создания усилителя излучения в СВЧ диапазоне. Они назвали его «молекулярным генератором» (предполагалось использовать пучок молекул аммиака). Практически одновременно предложение об использовании вынужденного испускания для усиления и генерирования миллиметровых волн было высказано в Колумбийском университете в США американским физиком Ч. Таунсом.

В 1954 г. молекулярный генератор, названный вскоре мазером, стал реальностью. Он был разработан и создан независимо и одновременно в двух точках земного шара - в Физическом институте имени П.Н. Лебедева Академии наук СССР (группой под руководством Н.Г. Басова и А.М. Прохорова) и в Колумбийском Университете в США (группой под руководством Ч. Таунса).

Впоследствии от термина «мазер» и произошел термин «лазер» в результате замены буквы «М» (начальная буква слова Microwave - микроволновой) буквой «L» (начальная буква слова Light - свет). В основе работы как мазера, так и лазера лежит один и тот же принцип - принцип, сформулированный в 1951 г. В.А. Фабрикантом. Появление мазера означало, что родилось новое направление в науке и технике. Вначале его называли квантовой радиофизикой, а позднее стали называть квантовой электроникой.

В 1959 г. вышла в свет работа Н.Г. Басова, Б.М. Вула и Ю.М. Попова с теоретическим обоснованием идеи полупроводниковых квантовых генераторов и анализом условий их создания. Наконец, в 1960 г. появилась обосновательная статья Н.Г. Басова, О.Н. Крохина, Ю.М. Попова, в которой были всесторонне рассмотрены принципы создания и теория квантовых генераторов и усилителей в инфракрасном и видимом диапазонах. Таким образом, интенсивные теоретические и экспериментальные исследования в СССР и США вплотную подвели ученых в самом конце 50-х годов к созданию лазера. Успех выпал на долю американского физика Т. Меймана. В 1960 г. в двух научных журналах появилось его сообщение о том, что ему удалось получить на рубине генерацию излучения в оптическом диапазоне. Так мир узнал о рождении первого «оптического мазера» - лазера на рубине.

Появление мощных источников когерентного светового излучения (лазеров) привело к возникновению нового направления исследований, связанного с изучением взаимодействия мощных когерентных потоков электромагнитного излучения с веществом, получившего название «Нелинейная оптика».

1.2 История волоконных лазеров

Впервые передачу лазерного излучения по оптическому волокну продемонстрировали Элиес Снитцер и Уилл Хикс в 1961 году. Основным недостатком их устройства было сильное затухание излучения при прохождении волокна. Однако через несколько лет Снитцером был создан первый лазер, в качестве рабочей среды которого использовалось оптическое волокно, легированное неодимом. В 1966 году Чарльз Као и Джордж Хокхам создали оптическое волокно, затухание в котором составляло около 20 дБ/км, в то время как иные существовавшие на то время волокна характеризовались затуханием более 1000 дБ/км.

Стремительное развитие волоконных лазеров началось с конца 1980-х. Основные направления исследований были связаны с экспериментированием в использовании различных примесей в оптических волокнах для достижения заданных параметров генерируемого излучения. C 1993 года в сенсорике и сфере связи стали широко использоваться промышленные образцы эрбиевых лазеров. В 1990-е годы мощность генерации эрбиевых лазеров превысила порог в 1 Вт, был продемонстрирован эрбиевый 4-хваттный лазер. После 2000 года привлекли к себе внимание иттербиевые лазеры, показавшие значительный потенциал для увеличения мощности.

1.3 Преимущества и недостатки волоконных лазеров

К преимуществам волоконных лазеров традиционно относят значительное отношение площади резонатора к его объёму, что обеспечивает качественное охлаждение, термостойкость кремния и небольшие размеры приборов в подобных классах требований по мощности и качеству. Лазерный луч, как правило, необходимо завести в оптическое волокно для последующего использования в технике. Для лазеров иной конструкции это требует специальных оптических систем коллимации и делает устройства чувствительными к вибрациям. В волоконных лазерах генерация излучения происходит непосредственно в волокне, и оно имеет высокое оптическое качество. Недостатками данного типа лазеров являются опасность возникновения нелинейных эффектов из-за высокой плотности излучения в волокне и сравнительно небольшая выходная энергия в импульсе, обусловленная малым объёмом активного вещества.

1.4 Использование нелинейно-оптических кристаллов для генерации второй гармоники (ГВГ), оптические схемы для ГВГ

Первый эксперимент по генерации второй гармоники света был выполнен Франклином и др. [9] в 1961 году. Луч рубинового лазера с л = 694,3 нм фокусировался на поверхность пластины из кристаллического кварца (рис. 1). Выходящее излучение анализировалось спектрометром. Было найдено, что в нем содержится компонента с удвоенной частотой (т.е. с л = 347,15 нм).

Существуют две основные оптические конфигурации для удвоения частоты: внутрирезонаторная (нелинейно-оптический кристалл помещается внутри лазерного резонатора) и однопроходная (кристалл находится вне резонатора). Хотя внутрирезонаторная схема позволяет получить более высокие эффективности преобразования, она значительно сложнее в изготовлении и требует больше времени для настройки. Поэтому получение высокой эффективности преобразования в однопроходной схеме полезно для многих промышленных применений. Обычно для этого используются такие кристаллы, как титанил-фосфат калия (KTP), триборат лития (LBO), танталат лития (LT) и ниобат лития (LN).

1.5 Фазовый синхронизм, квазифазовый синхронизм

Для эффективного нелинейного взаимодействия необходимо условие фазового синхронизма. Должен быть скомпенсирован набег фазы, возникающий из-за разницы фазовых скоростей, вызванной материальной дисперсией.

Достижение фазового синхронизма в этих кристаллах может быть достаточно сложным, так как требует высокой точности оптических юстировок. Для решения этой проблемы было предложено использовать кристаллы с периодической доменной структурой (периодически полированные), которую можно создать в кристаллах KTP, LT и LN благодаря их сегнетоэлектрическим свойствам. Эти кристаллы получили названия PPKTP, PPLT и PPLN соответственно.

В первые 25 лет существования нелинейной оптики, фазовый синхронизм достигался только за счет двулучепреломления, когда разница фазовых скоростей ортогонально поляризованных волн компенсировала материальную дисперсию. Другой подход к решению этой проблемы - использование квазифазового синхронизма, суть которого в пространственном периодическом изменении свойств нелинейной среды, чтобы компенсировать набег фазы через равные интервалы без совпадения фазовых скоростей. В частности, эффективное преобразование можно получить в кристалле, в котором периодически меняется знак нелинейной восприимчивости среды.

Несмотря на то, что использование квазифазового синхронизма было предложено до того, как фазовый синхронизм был получен на основе двулучепреломления, долгое время его использование было сопряжено со значительными трудностями в изготовлении кристаллов с требуемыми доменными структурами.

Рассмотрим принцип квазифазового синхронизма на основе генерации второй гармоники.

Пусть плоская электромагнитная волна с амплитудой поля , частотой и волновым вектором ( - коэффициент преломления среды на частоте ) распространяется в среде с нелинейной восприимчивостью d, порождая волну поляризации, пропорциональную на частоте и с волновым вектором . Волна поляризации порождает свободную электромагнитную волну с волновым вектором . Между этими волнами накапливается разность фаз р на длине, известной как длина когерентности,

,

где л - длина волны накачки в вакууме. Направление перекачки энергии между волной накачки и волной второй гармоники зависит от фаз этих волн и, следовательно, меняет знак через каждое . Если менять знак нелинейной восприимчивости кристалла через каждое , фаза волны поляризации меняется на р, изменяя фазовое соотношение таким образом, что происходит монотонная перекачка энергии из волны накачки в свободную электромагнитную волну второй гармоники, как показано на рис. 1 [4].

Как видно из рис. 1, средняя скорость возрастания интенсивности второй гармоники при квазисинхронизме ниже, чем при точном соблюдении фазового синхронизма, однако квазисинхронизм имеет ряд преимуществ. Так как квазисинхронизм не использует двулучепреломление, то можно выбрать любые удобные поляризации, включая случай, когда поляризации волн параллельны (что невозможно, когда фазовый синхронизм достигается за счет двулучепреломления), что одновременно соответствует использованию самого большого коэффициента тензора нелинейной восприимчивости в большинстве сегнетоэлектриков, например .

Рис. 1. Возрастание интенсивности второй гармоники от длины взаимодействия излучения накачки с кристаллом. (а) А: при точном соблюдении условия фазового синхронизма в кристалле с однородной доменной структурой; С: условия фазового синхронизма не выполнены; В: при квазифазовом синхронизме в кристалле с периодической доменной структурой с периодом . (b) А: при точном соблюдении условия фазового синхронизма; В: при квазифазовом синхронизме в кристалле с периодической доменной структурой с периодом

1.6 Обзор различных кристаллов, преимущества и недостатки PPLN

Первыми, и по сей день наиболее широко используемыми для полирования сегнетоэлектриками являются такие кристаллы, как LT и LN. Коэффициент в ниобате лития самый большой среди обычно используемых сегнетоэлектриков, и равен 28 пм/В (для сравнения в LT пм/В [4, …], в KTP пм/В [4, …]). Край фундаментального поглощения в ниобате лития лежит в ультрафиолетовой области на длине волны 320 нм (для сравнения в LT край фундаментального поглощения 277 нм [4], в KTP 400 нм [5]). Серьезной проблемой при использовании ниобата лития является фотоиндуцированное изменение свойств кристалла, в том числе изменение показателя преломления [6,…] (эффект фоторефракции) и изменение коэффициентов поглощения (фотохромный эффект), например GRIIRA [7,…] (Green-Induced InfraRed Absorption - поглощение в кристалле на длине волны накачки, наведенное присутствием в кристалле излучения второй гармоники).

1.7 Описание эффекта фоторефракции

лазер волоконный фоторефракция кристалл

Периодически полированные кристаллы, тем не менее, имеют свои ограничения. Например, в кристаллах PPLN максимальная мощность излучения второй гармоники ограничена явлением оптического разрушения (optical damage), то есть индуцированного светом изменения показателя преломления, которое изменяет волновые фронты и выводит кристалл из синхронизма. Это изменение показателя преломления вызвано эффектом фоторефракции: неоднородное освещение возбуждает электроны (примесей), которые затем перераспределяются за счет дрифта, диффузии и объемного фотогальванического эффекта. Появляется поле пространственного заряда, и электрооптический эффект вызывает изменение показателя преломления.

Проявления фоторефракции [4,…]:

· В виде искажения пучков, проходящих через кристалл, вследствие изменения показателя преломления, которое в свою очередь вызвано фотоионизацией примесей.

· В перераспределении электрического заряда в среде, пока омический ток не уравновесит фотогальванический.

· В изменении электрооптического тензора среды вследствие влияния результирующего поля пространственного заряда.

Можно показать, что поле пространственного заряда значительно ниже в периодически полированных кристаллах по сравнению с кристаллами с однородной доменной структурой [8], однако для практического применения в видимом диапазоне длин волн необходимо работать при температурах кристалла выше 100?С [4]

1.8 Методы повышения порога фоторефракции

Существуют различные методы уменьшения этого эффекта, такие как легирование оксидом магния (MgO) или нагрев кристалла до температур порядка 200°С. Легирование MgO выше 5% повышает порог эффекта оптического разрушения, но делает процесс изготовления периодически полированных кристаллов более сложным, а сильный нагрев может быть неудобным при стабилизации температуры.

В последнее время был изобретен метод термоэлектрического окисления, который позволяет окислять примеси, такие как железо в кристалле ниобата лития практически полностью. Для достижения этого окисления кристаллы ниобата лития нагревают до температур порядка 700°С в присутствии внешнего электрического поля. Измерениями светоиндуцированного изменения двулучепреломления было показано, что легирование кристалла PPLN оксидом магния отодвигает порог оптического разрушения на порядок по сравнению с нелегированным ниобатом лития при комнатной температуре. Этот эффект объясняется сильным снижением плотности фотовозбуждаемых носителей заряда вследствие окисления.

2. Экспериментальная часть

В рамках данной работы была проведена серия экспериментов по генерации второй гармоники в кристалле PPLN. Также были проведены эксперименты по измерению поглощения излучения длин волн 1064 нм и 532 нм в кристалле PPLN. Кроме того была проведена оценка сверху дополнительного поглощения в кристалле PPLN на длине волны 1064 нм, наведенного присутствием в кристалле излучения 532 нм.

2.1 Постановка задачи. Цели работы

Была поставлена задача получить 3 Вт средней мощности на длине волны 532 нм в процессе преобразования излучения накачки 1064 нм в кристалле PPLN. В процессе проведения экспериментов выяснилось, что когда мощность второй гармоники достигала значений порядка 1.5 Вт, наблюдалась нестабильность мощности второй гармоники: наблюдались медленно затухающие колебания с амплитудой около 20% от максимальной мощности. Синхронно с колебаниями мощности второй гармоники (при постоянной мощности накачки) изменялось качество пучка. При малых мощностях пучок имеет правильную, близкую к гауссовой, форму. На предпороговой мощности накачки 12.1 Вт пучок гармоники периодически, синхронно с изменением мощности гармоники, трансформируется (см. рис. 2).

При дальнейшем увеличении мощности накачки наблюдалось «разваливание» пучка и насыщение эффективности преобразования от мощности накачки и далее разрушение кристалла.

Рис. 2. Мощность второй гармоники колеблется мВт, и синхронно пучок искажается и снова собирается

Цель - понять, что разрушает: GRIIRA или фоторефракция?

В литературе мнения на этот счет разошлись: в некоторых работах

2.2 Измерение поглощения в кристалле PPLN на длине волны 1064 нм

Схема экспериментальной установки дли измерения поглощения на длине волны 1064 нм:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лазер: непрерывный, центральная длина волны 1064 нм, мощность излучения 4 Вт

Фокусатор: фокусное расстояние 10 мм, диаметр перетяжки 28 мкм

Кристалл: PPLN, размеры 1х2х5 мм, грани просветлены на длину волны 1064 нм, температура кристалла - комнатная.

Molectron: тепловой измеритель оптической мощности.

Излучение волоконного лазера фокусировалось в кристалл PPLN и далее попадало в измеритель мощности.

2.3 Измерение поглощения в кристалле PPLN на длине волны 532 нм

Схема экспериментальной установки дли измерения поглощения на длине волны 532 нм:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лазер: непрерывный, центральная длина волны 532 нм, мощность излучения 12 Вт

Кристалл: LN или PPLN, размеры 1х2х10 мм, температура кристалла - комнатная.

Molectron: тепловой измеритель оптической мощности.

Измерения проведены при следующих условиях: мощность излучения на выходе головы лазера - 12 W, размеры кристаллов - 1 x 2 x 10 mm, линза 25х125, вычисленный диаметр перетяжки - 22 мm. Кристалл LN непросветленный, для него было измерено френелевское отражение. Также были проведены измерения коэффициента поглощения в зависимости от ориентации кристалла (см. рис). Кристалл PPLN просветленный. В дальнем поле картинка пучка оставалась равномерной, пучок не разваливался.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Результаты эксперимента: в кристалле LN измерены:

· Поглощение

· Френелевское отражение ()

· В пределах погрешности эксперимента дихроизм отсутствует

В кристалле PPLN измерено поглощение

·

2.4 Измерение GRIIRA

Схема экспериментальной установки дли измерения дополнительного поглощения в кристалле PPLN на длине волны 1064 нм, наведенного присутствием в кристалле излучения 532 нм:

· Размеры кристалла 1 х 3 х 10 мм

· Расчетный диаметр перетяжки инфракрасного пучка 22 мкм, диаметр перетяжки зеленого - 56 мкм.

· Длина Рэлея инфракрасного - 357 мкм, зеленого - 4627 мкм.

· Мощность инфракрасного лазера составляла 10.6 Вт, мощность зеленого - 8.5 Вт.

· Дихроическое зеркало отражает излучение на 532 нм и пропускает излучение 1064 нм.

· Излучение лазеров коллимированное, ширина пучка инфракрасного составляла 4.6 mm, зеленого - 1.5 мм.

· Юстировкой зеркал M1, M2, M3 и M4 добивались того, чтобы оба пучка проходили через центры диафрагм D1 и D2.

· Далее совмещаем перетяжки пучков. Для этого устанавливаем на место кристалла волокно pf-001 (диаметр жилы 7 мкм), подсоединенное к измерителю мощности, и юстировкой зеркал M1, M2, M3 и M4 настраиваемся на максимум сигнала измерителя мощности.

Список литературы

[1] Michael Gregory Pullen, Justin James Chapman, Dave Kielpinski «Efficient generation of >2W of green light by singlepass frequency doubling in PPMgLN»

April 2008 / Vol. 47, No. 10 / APPLIED OPTICS

[2] G.D. Miller, R.G. Batchko, W.M. Tulloch, D.R. Weise, M.M. Fejer, and R.L. Byer, «42%-efficient single-pass cw second harmonic generation in periodically poled lithium niobate,» Opt. Lett. 22, 1834-1836 (1997).

[3] F.J. Kontur, I. Dajani, Y. Lu, and R.J. Knize, «Frequencydoubling of a CW fiber laser using PPKTP, PPMgSLT, and PPMgLN,» Opt. Express 15, 12882-12889 (2007).

[4] David S. Hum, Martin M. Fejer «Quasi-phasematching» E.L. Ginzton Laboratory, Stanford University, Stanford, CA 94305, USA, C.R. Physique 8 (2007) 180-198

[5] F. Laurell, J.B. Brown, J.D. Bierlein, Simultaneous generation of UV and visible light in segmented KTP waveguides, Appl. Phys. Lett. 62 (1993) 1872-1874.

[6] F. Jermann, M. Simon, E. Kratzig, Photorefractive properties of congruent and stoichiometric lithium niobate at high light intensities, J. Opt. Soc. Am. B 12 (1995) 2066-2070.

[7] Y. Furukawa, K. Kitamura, A. Alexandrovski, R.K. Route, M.M. Fejer, G. Foulon, Green-induced infrared absorption in MgO-doped LiNbO3, Appl. Phys. Lett. 78 (2001) 1970-1972.

[8] M. Taya, M.C. Bashaw, M.M. Fejer, Photorefractive effects in periodically poled ferroelectrics, Opt. Lett. 21 (1999) 857-859.

[9] R.W. MINCK, R.W. TERHUNE, and C.C. WANG «Nonlinear Optics» Applied Optics, Vol. 5, Issue 10, pp. 1595-1612 (1966)

Размещено на Allbest.ru