СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ НЕЛИНЕЙНОГО СОСТАВНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЧАСТОТЫ С КОМПЕНСАЦИЕЙ УГЛА СНОСА ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2007 года по МПК G02F1/35 

Изобретение относится к лазерной технике и предназначено для преобразования частоты лазерного излучения в инфракрасном диапазоне.

При применении лазеров в экологическом мониторинге, медицине и других технических отраслях промышленности требуется широкий набор различных длин волн излучения. Однако реальный набор источников лазерного излучения в настоящее время ограничен. Для получения излучения с длиной волны, отличной от генерируемого данным лазером, широко применяются нелинейные преобразователи частоты лазерного излучения на основе нелинейных двупреломляющих кристаллов. Преобразование лазерного излучения обеспечивается путем трехчастотного взаимодействия. Различают два вида углового фазового синхронизма нелинейного преобразования: I типа - когда взаимодействуют лучи с одинаковой поляризацией, например оо-е, и II типа - когда во взаимодействии участвуют излучения с разной поляризацией, например ео-е. Как в первом, так и во втором случае возможны следующие виды взаимодействия: генерация суммарной частоты, генерация разностной частоты, параметрическая генерация света и т.д.

Эффективность преобразования зависит от ряда факторов, в том числе от длины взаимодействия исходных лучей и преобразованного луча. Наиболее простой путь увеличения длины взаимодействия - это увеличение длины нелинейного элемента. Однако показатели преломления нецентросимметричных кристаллов зависят от направления поляризации луча, поэтому при большой длине нелинейного элемента может наблюдаться значительное отклонение лучей разной поляризации друг от друга - снос лазерного пучка, уменьшающий длину эффективного взаимодействия лучей. Наименьший эффект сноса наблюдается для генерации суммарных частот в преобразованиях первого типа, наибольший при преобразованиях второго типа, при преобразовании разностной частоты в обоих типах и особенно при сильной фокусировке (до 100 мкм и менее) лазерного луча. Отметим, что эффективность преобразования часто выше при использовании второго типа, а именно в его случае снос луча большой.

Для компенсации сноса лазерного луча показана возможность изготовления преобразователя частоты лазерного излучения, состоящего из двух и более полированных пластин, вырезанных из нелинейного кристаллического материала под углом, обеспечивающим I или II тип фазового синхронизма и преобразования определенной длины волны излучения, причем пластины в парах расположены относительно друг друга с разворотом угла вектора спонтанной поляризации на 180 градусов (J.J.Zondy, D.Kolker, C.Bonnin and D.Lupinski. Second-harmonic generation with monolithic walk-off-compensating periodic structures. II Experiments - J. Opt. Soc. Am., B, 2003, v.20, №8, 1695-1707).

Известен преобразователь частоты лазерного излучения и способ его создания с компенсацией угла сноса, состоящего из одной или нескольких соединенных оптическим контактом полированных кристаллических пар (Bonded, walk-off compensated optical elements - патент США, 6544330, 08.04.2003). Каждая пара ориентирована таким образом, чтобы удовлетворить условиям углового фазового синхронизма. Кристаллы в паре отличаются между собой направлением угла сноса лазерного излучения так, чтобы компенсировать этот угол сноса. Оптический контакт достигается соединением ориентированных полированных исходных или обработанных кварцем или пероксидами металлов пластин с последующим их нагреванием, возможно под давлением, при температуре ниже плавления данного материала при используемом давлении. Кристаллы, используемые при создании пары, выбраны из группы: β-ВаВ₂O₄, LiNbO₃, LilO₃, KTiOPO₄, RbTiOAsO₄, LiB₃O₅, KH₂PO₄.

Недостатком данного преобразователя является ограниченность возможностей преобразования лазерного излучения в инфракрасной области, так как край поглощения использованных кристаллов в ИК-области примерно равен 2-3,5 мкм, то есть отвечает ближнему ИК-диапазону. Кроме того, методы обеспечения оптического контакта, описанные в прототипе, неэффективны для кристаллических материалов, работающих в инфракрасной области.

Для обеспечения эффективного нелинейного преобразования частоты в среднем инфракрасном диапазоне оптического спектра (более 3 мкм и менее 17 мкм) необходимо использовать новые материалы. Известно, что в средней инфракрасной области работают кристаллы, включающие в свой состав для снижения энергии фононов и увеличения прозрачности в ИК-диапазоне тяжелые химические анионы, такие как халькогены. Однако проблема в том, что кристаллы халькогенидов характеризуются пониженной механической прочностью при значительной ее анизотропии, то есть различной прочностью в разных направлениях. Это затрудняет механическую обработку рабочих поверхностей и достижение высокого качества финишной полировки, которое необходимо при соединении составной конструкции оптическим контактом для обеспечения минимизации оптических потерь. Кроме того, при обеспечении оптического контакта необходимо удалить воздух между приводимыми на контакт полированными поверхностями и при этой операции из-за пониженной механической прочности халькогенидных кристаллов качество полированной поверхности может снизиться из-за царапин. Для твердых кристаллов, используемых в известных преобразователях (оксидов, боратов), вероятность повреждения полированной поверхности невелика. Для мягких халькогенидных кристаллов велика вероятность повреждения поверхности при полировке, удалении пыли, приведении в оптический контакт. При повреждении поверхности необходимо осуществлять ее переполировку. А это легко приводит в случае мягких кристаллов к отклонению поверхности от заданного угла. Даже при исходной тонкой полировке на алмазе мягкого кристаллического материала возможно значительное отклонение от заданного угла. Невысокая прочность и ее анизотропия для инфракрасных материалов практически не позволяет применять давление в сочетании с температурой при получении оптического контакта, так как материал деформируется. Известные приемы подготовки оптических поверхностей не обеспечивают минимизацию оптических потерь при соединении оптическим контактом кристаллической пары, изготовленной из халькогенидных материалов.

Задачей изобретения является обеспечение эффективности преобразования лазерного излучения в среднем инфракрасном диапазоне до 14 мкм.

Технический результат заключается в возможности использования кристаллических материалов, в состав которых входят тяжелые химические элементы, с обеспечением компенсации угла сноса лазерного луча, предотвращением понижения эффективности преобразования при отклонении угла от заданного при процессах полировки поверхности и обеспечении оптического контакта с минимизацией оптических потерь.

Технический результат достигается тем, что в способе изготовления нелинейного преобразователя частоты лазерного излучения, состоящего из одной или нескольких пар полированных пластин нелинейных кристаллов, вырезанных под определенными углами, соединенных термооптическим контактом и ориентированных в парах относительно друг друга с разворотом направления угла сноса лазерного излучения для компенсации этого угла сноса, в качестве нелинейных кристаллов используют тройные халькогенидные кристаллы структуры A^IB^IIIC^IV ₂, где А - одновалентный щелочной катион или Ag⁺¹, В - трехвалентный катион Al, Ga или In, С - халькоген S, Se или Те, осуществляют одновременную полировку пар пластин, при этом для формирования термооптического контакта пластины обрабатывают в вакууме не ниже 2·10^-2 атм в атмосфере паров компонентов, которые при синтезе формируют данный кристаллический материал.

На чертеже приведены спектры пропускания пластинок толщиной 5 мм AgGaS₂ (AGS), LiGaSe₂ (LGSe) и LiGaTe₂ (LGT) в средней ИК-области, записанные с помощью спектрометра Shimadzu.

Применение халькогенидных кристаллов имеет два отличия от известного преобразователя лазерного излучения. Во-первых, оно позволяет работать в средней ИК-области. Во-вторых, в предлагаемой группе халькогенидов имеется два типа кристаллов - пироэлектрики и непироэлектрики. В известном преобразователе используются только пироэлектрики, что сужает диапазон применения преобразователя по сравнению с предлагаемым способом.

Одновременная полировка пар пластин обеспечивает компенсацию ошибки изменения угла среза от заданного, потому что при перевороте одной из пластин на 180 градусов для компенсации угла сноса лазерного излучения и наложении этой пластины на исходную с образованием оптического контакта параллельность сложенных пластин сохраняется, несмотря на некоторое отклонение внутреннего угла среза, участвующего в контакте.

Формирование оптического контакта наложением пластин друг на друга в вакууме не ниже 2·10^-2 атм с последующей термообработкой в атмосфере паров компонентов, которые при синтезе формируют данный кристаллический материал, обеспечивает плотное соприкосновение пластин без микровключений воздуха в области контакта, залечивание дефектов поверхности и спекание поверхности устройства в области контактов пластин, увеличивает механическую прочность преобразователя и предотвращает адсорбцию газовых примесей микропорами, образующимися в области оптического контакта.

Примеры конкретного выполнения

Пример 1. Используется кристалл тиогаллата серебра AgGaS₂ для генерации второй гармоники СО-лазера частоты 5,30 мкм. Спектр кристалла приведен на чертеже. При первом типе фазового синхронизма угол среза θ=33,3°, d_eff=6,9. При втором типе θ=51,5°, d_eff=12,3. То есть преобразование по второму типу более эффективно. При этом снос лазерного пучка составляет 22 мрад, то есть 1,26°, на длине элемента 8 мм луч сместится на 0,175 мм. Для большей эффективности преобразования лазерное излучение необходимо фокусировать. Однако слишком большая мощность лазерного пучка может привести к разрушению элемента. Четыре пластины тиогаллата серебра толщиной 2 мм с углом среза, совпадающим с заданным с точностью до 0,1°, полировались раздельно. При простом наложении полированных пластин друг на друга прозрачный в среднем элемент в области контакта имеет отблески интерференционных колец сбоку одного контакта, ярко проявляющиеся при некотором наклоне по отношению к падающему свету. В области второго контакта при вращении элемента под осветителем иногда вспыхивает некоторое подобие интерференции в нескольких точечных областях. Запись спектра пропускания показывает уменьшение пропускания примерно на 11% по сравнению с элементом из сплошного кристалла. При обработке наложенных друг на друга полированных пластин в вакууме 1,5·10^-2 атм и термообработке в парах Ag₂S и Ga₂S₃ получается прочный оптический элемент с хорошим пропусканием без видимых интерференционных полос в области оптических контактов со слегка спеченными краями. В пределах точности пропускание составного элемента такое же, как и пропускание элемента из сплошного кристалла. При использовании стандартного лазера 10 ватт в непрерывном режиме и использовании 200 мкм фокусировки кпд нелинейного преобразователя на основе сплошного кристалла тиогаллата серебра длиной 8 мм составляет 0,007% для первого типа фазового синхронизма. Для второго типа фазового синхронизма в элементе длиной 8 мм при диаметре пучка 200 мкм эффективная длина взаимодействия составляет только 5 мм, при этом коэффициент преобразования на основе сплошного кристалла составит 0.01%, то есть целесообразно использовать компенсацию сноса. Теоретическая эффективность для бесконечного числа пластин и отсутствия ошибок углов среза составляет 0,023% для второго типа фазового синхронизма. При использовании предлагаемого составного нелинейного преобразователя из двух пар пластин суммарной длиной 8 мм достигается кпд преобразования для фазового синхронизма II типа 0,017%, то есть эффективность составного нелинейного преобразователя с компенсацией сноса лазерного луча на 70% выше, чем эффективность сплошного нелинейного оптического элемента.

Пример 2. Способ изготовления нелинейного преобразователя на основе AgGaS₂ отличался от предыдущего примера 1 тем, что четыре пластины полировались, как две одновременно закрепленные на полировальнике пары. После соединения пластин таким же способом, как в примере 1, в пределах точности измерения спектр пропускания такой же, как у сплошного элемента. При использовании преобразователя в условиях, таких же, как в примере 1, был достигнут кпд преобразования для фазового синхронизма II типа 0,019%. То есть эффективность преобразования выше, чем в предыдущем случае.

Пример 3. Используется селеногаллат лития LiGaS₂ при преобразовании излучения предыдущего лазера. При получении двойной гармоники по первому типу при угле среза θ=55,2° и ϕ=0° d_eff=6,15. При втором типе θ=90° и ϕ=47° d_eff=8,83, то есть преобразование типа II эффективнее. Угол сноса при таком преобразовании составляет 21,7 мрад, то есть 1,24°, и на длине элемента 5 мм луч сместится более чем на 0.1 мм. Фактически смещение луча такое же, как в предыдущем примере. Однако в случае Li содержащих халькогенидов температуропроводность больше, чем тиогаллата серебра, примерно в пять раз. Это позволяет использовать для большей эффективности преобразования фокусировку лазерного излучения. При диаметре пучка 100 мкм эффективная длина взаимодействия для второго типа составляет примерно 2,5 мм, то есть целесообразно использовать компенсацию сноса. Четыре пластины селеногаллата лития толщиной 2 мм с углом среза, совпадающим с заданным с точностью до 0,1°, полировались как две одновременно закрепленные на полировальнике пары. Наложение пластин друг на друга приводит к оптическому контакту с уменьшением пропускания примерно на 8% по сравнению с элементом из сплошного кристалла. При наложении очищенных полированных пластин друг на друга в вакууме 1,5·10^-2 атм и термообработке в парах Li₂S и Ga₂S₃ получается прочный оптический элемент с хорошим пропусканием без видимых в кристалле отблесков в области оптических контактов и слегка спеченными краями. В пределах точности пропускание составного элемента такое же, как и пропускание элемента из сплошного кристалла. При использовании стандартного лазера 10 ватт в непрерывном режиме и использовании 100 мкм фокусировки кпд нелинейного преобразователя на основе сплошного кристалла селеногаллата лития длиной 8 мм составляет 0,04% для первого типа фазового синхронизма. Теоретическая эффективность для бесконечного числа пластин и отсутствия ошибок углов среза составляет 0,084% для второго типа. При использовании предлагаемого составного нелинейного преобразователя из двух пар пластин суммарной длиной 8 мм достигается кпд преобразования 0,07% (II тип), то есть эффективность составного нелинейного преобразователя с компенсацией сноса лазерного луча на 75% выше, чем эффективность сплошного нелинейного оптического элемента (I тип).

Изобретение относится к способу изготовления нелинейного составного преобразователя частоты с компенсацией угла сноса лазерного излучения, состоящего из одной или нескольких пар ориентированных полированных пластин нелинейных халькогенидных кристаллов структуры A^IB^IIIC^IV ₂, где А - одновалентный щелочной катион или Ag⁺¹, В - трехвалентный катион Al, Ga или In, С - халькоген S, Se или Те. Пластины ориентируют в парах относительно друг друга с разворотом направления угла сноса лазерного излучения, осуществляют одновременную полировку пар пластин и соединяют термооптическим контактом в вакууме не ниже 2·10^-2 атм в атмосфере паров компонентов, которые при синтезе формируют данный кристаллический материал. Технический результат заключается в возможности использования кристаллических материалов, в состав которых входят тяжелые химические элементы, с обеспечением компенсации угла сноса лазерного луча, предотвращения понижения эффективности преобразования при отклонении угла от заданного при процессах полировки поверхности и обеспечении оптического контакта с минимизацией потерь. 1 ил.

Способ изготовления нелинейного составного преобразователя частоты с компенсацией угла сноса лазерного излучения, состоящего из одной или нескольких пар ориентированных, полированных пластин нелинейных кристаллов, соединенных термооптическим контактом и ориентированных в парах относительно друг друга с разворотом направления угла сноса лазерного излучения, отличающийся тем, что в качестве нелинейных кристаллов используют халькогенидные кристаллы структуры А^IB^IIIC^IV ₂, где А - одновалентный щелочной катион или Ag⁺¹, В - трехвалентный катион Al, Ga или In, С - халькоген S, Se или Те, осуществляют одновременную полировку пар пластин, при этом для формирования термооптического контакта соединенные пластины обрабатывают в вакууме не ниже 2·10^-2 атм. в атмосфере паров компонентов, которые при синтезе формируют данный кристаллический материал.