Метод повышения чувствительности и точности ИК-фотометрии, основанный на высокоэффективном преобразовании частоты в двухосных нелинейных кристаллах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ
|
Шайдуко, Анна Валерьевна
АВТОР
|
||||
|
кандидата физико-математических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Томск
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
2011
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
01.04.01
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
На правах рукописи
4040«"
ШАЙДУКО АННА ВАЛЕРЬЕВНА
МЕТОД ПОВЫШЕНИЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ И ТОЧНОСТИ ИК-ФОТОМЕТРИИ, ОСНОВАННЫЙ НА ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОМ ПРЕОБРАЗОВАНИ ЧАСТОТЫ В ДВУХОСНЫХ НЕЛИНЕЙНЫХ КРИСТАЛЛАХ
Специальность 01.04.01 - Приборы и методы экспериментальной физики
АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук
1 9 МАЙ 2011
Томск - 2011
4846754
Работа выполнена в Институте мониторинга климатических и экологических систем Сибирского отделения Российской академии наук.
Защита состоится 3 июня 2011 г. в 14-30 на заседании диссертационного совета Д 212.005.03 в Алтайском государственном университете по адресу: 656049, г. Барнаул, пр. Ленина, 61.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Алтайского государственного университета
Автореферат разослан " 30 " апреля 2011 г.
Научный руководитель:
доктор физико-математических наук Андреев Юрий Михайлович
Официальные оппоненты:
доктор физико-математических наук, профессор
Суторихин Игорь Анатольевич
кандидат физико-математических наук Орлов Сергей Николаевич
Ведущая организация: Новосибирский государственный
технический университет
Ученый секретарь диссертационного совета
ДА Рудер
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. В современных системах ИК-спектрофотометрирования в качестве источников аналитического излучения перспективно использовать перестраиваемые в широком диапазоне спектра и широкополосные источники света. Особого внимания заслуживают параметрические преобразователи частоты фемтосекундных Ti:Sapphire (0,7-1,1 мкм) и CnForsterite (1,25-1,32 мкм) лазеров методами нелинейной кристаллооптики, обеспечивающие генерацию сверхширокополосного излучения в соответствии с законом неопределенности. Поскольку чувствительность и точность фотометрирования связаны с мощностью аналитического излучения, актуальным является поиск путей повышения эффективности параметрических преобразователей частоты. Эффективность параметрических преобразователей частоты ультракоротких импульсов определяется, прежде всего, диапазоном прозрачности и дисперсионными свойствами нелинейных кристаллов, определяющими возможность выполнения условий группового синхронизма в направлении фазового синхронизма для взаимодействующих волн и ограничивающих предельную длину рабочих образцов, которая не должна превышать групповую длину взаимодействия.
Отсутствие до последнего времени эффективных кристаллов, прозрачных как на длинах волн существующих фемтосекундных лазеров, так и в среднем ИК-диапазоне, привело к необходимости разработки двухкаскадных преобразователей частоты ультракоротких импульсов в средний ИК-диапазон, характеризующихся невысокой эффективностью. Вынужденное использование во вторых каскадах одноосных кристаллов зачастую обуславливает малую групповую длину взаимодействия и, как следствие, эффективность. Эта же ситуация имеет место в разработке преобразователей частоты ультракоротких импульсов в пределах среднего ИК-диапазона, таких как генераторы второй гармоники.
Освоение ростовой технологии перспективных широкополосных двухосных кристаллов с высокими нелинейными свойствами, таких как ЬИпБг, LilnSei, LiIn(Sj.xSex)2 и AgGaGeS^ открыло новые возможности в разработке однокаскадных преобразователей частоты ультракоротких импульсов, как в средний ИК-диапазон, так и в его пределах- с улучшенными выходными характеристиками. Характерные для двухосных кристаллов сложные зависимости дисперсионных свойств от направления распространения пучков и наличие существенных различий
в дисперсионных свойствах при переходе от одной разновидности кристалла к другой позволяют с большей вероятностью, чем в одноосных кристаллах, выполнить все условия эффективного преобразования частоты ультракоротких импульсов. Более того, их выполнение оказывается возможным не в фиксированном направлении, как в одноосных кристаллах, а в совокупности направлений, образующих некоторую поверхность второго порядка в объеме двухосных кристаллов. Это позволяет выбрать направление накачки, соответствующее наибольшему значению эффективного коэффициента нелинейной восприимчивости, являющегося третьим по значимости фактором, определяющим эффективность преобразований. И, наконец, двухосные кристаллы дают широкие возможности в выборе специфичных условий синхронизмов, способствующих дальнейшему увеличению эффективности преобразования частоты.
В силу перспективности, параметрические преобразователи частоты ультракоротких импульсов на основе новых двухосных кристаллов 1л1п82, 1л1п8е2, 1л1п(81_х8ех)2 и А§СаСе84 выбраны в качестве объектов данного исследования.
Сложность изменения дисперсионных свойств в объеме двухосных кристаллов и отсутствие общепринятой системы их классификации с численно определенными границами классов, а также отсутствие общепринятых:
■ связей между осями кристаллографической и оптической систем координат при описании дисперсионных свойств;
■ системы классификации разновидностей типов преобразователей частоты;
■ обозначений поляризаций волн;
■ подхода к учету вырождения оптических осей;
■ полной обобщенной системы классификации лоций фазового синхронизма;
■ общего подхода в нумерации классов лоций фазового синхронизма при отсутствии логической связи нумерации с физическими свойствами двухосных кристаллов, наряду с большим разбросом известных данных о дисперсионных свойствах,
а также отсутствие оптимального алгоритма проектирования обусловили незавершенность проведенных исследований по выяснению возможностей создания однокаскадных преобразователей частоты ультракоротких импульсов на основе двухосных кристаллов с
максимальной эффективностью преобразования частоты.
Целью данной работы является разработка метода повышения чувствительности и точности ИК - фотометрирования, основанного на определении условий высокоэффективного однокаскадного преобразования частоты ультракоротких лазерных импульсов в двухосных нелинейных кристаллах.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Разработать полную обобщенную систему классификации лоций фазового синхронизма без наложения ограничений на дисперсионные свойства рассматриваемых кристаллов, пригодную для сравнительного анализа возможностей выполнения условий фазового синхронизма и последующего отбора по этому признаку двухосных кристаллов, пригодных для проектирования преобразователя частоты ультракоротких импульсов рассматриваемого типа;
2. Разработать алгоритм и пакет прикладных программ для расчета и количественного сравнения всей совокупности характеристик двухосных кристаллов, ответственных за эффективность преобразования частоты ультракоротких импульсов;
3. Провести численную оценку максимальной эффективности генерации второй гармоники ультракоротких импульсов в пределах ИК-диапазона в двухосных кристаллах 1л1п82,1л1п8е2, 1л1п(81.х8е,()2 и AgGaGeS4.
Методы исследования. Поставленные цели достигались путем использования комплексного подхода. Основным методом исследования являлось численное моделирование, основанное на сравнительном анализе результатов расчетов, использовании известных данных и результатов экспериментальных исследований.
Научные положения, выносимые на защиту: ■ Метод, основанный на полной системе классификации лоций фазового синхронизма для двухосных нелинейных кристаллов, позволяет повысить чувствительность и точность ИК-фотометрирования.
2. Разработанный алгоритм на основе предложенного метода классификации лоций фазового синхронизма обеспечивает достоверное определение условий высокоэффективного преобразования частоты ультракоротких импульсов.
3. Использование кристаллов 1л1п8е2 и AgGaGeS4 в ИК-спектрофотометрах на основе генераторов второй гармоники ИК-диапазона предпочтительнее кристаллов 1л1п8г и Ы1п(Б].х3ех)2 в силу 10-
кратного преимущества по эффективности преобразования частоты. 4. Достоверность результатов диссертационной работы обеспечена:
1. Применением в расчетах моделей среды, обоснованных и подтвержденных данными, которые получены в результате многочисленных экспериментов.
2. Использованием в расчетах теоретических подходов и приближенных методов, область применения и погрешность которых хорошо известна.
3. Сравнением теоретических расчетов с экспериментальными данными. Погрешность отклонения находилась в пределах 10-15%.
4. Сравнением результатов расчетов в частных случаях с теоретическими выводами других авторов.
Связь работы с научными программами и темами. Работа выполнена в рамках Приоритетного направления СО РАН на 2004-2006 гг. «28. Экология и рациональное природопользование. Мониторинг окружающей среды», Проект 28.2.3. «Разработка новых методов, технологий и приборов на основе оптических, радиоволновых и акустических эффектов для контроля природных и техногенных систем, а также для решения специальных задач» (per. № 01200408133), на 2007-2009 гг. «7.13. Разработка методов, технологий, технических и аналитических средств исследования поверхности и недр Земли, гидросферы и атмосферы. Геоинформатика», Проект 7.13.1.2. «Развитие методов и технических средств на основе оптических, радиоволновых и акустических эффектов для изучения природных и техногенных систем» (утверждено Постановлением Президиума СО РАН № 40 от 12.02.2007) и Программы VII.63.3 "Климатические изменения в Арктике и Сибири под воздействием вулканизма", Проект VII.63.3.1 "Вулканогенные возмущения атмосферы и изменения климата Сибири и Субарктики: Современное состояние и палеореконструкция" на 2010-2012 гг. (утверждено 17.09.2009 г. ПСО № 260). Научная новизна:
1. Разработан новый метод повышения чувствительности и точности ИК фотометров, основанный на определении классификации лоций фазового синхронизма для двухосных кристаллов, исключающий наложение ограничений на дисперсионные свойства рассматриваемых кристаллов.
2. Определен новый тип лоций фазового синхронизма двухосных кристаллов, одна точка проекции которого на главную плоскость XZ пересекает дугу xz между трижды квазивырожденными оптическими
осями.
3. Впервые определено положение лоции фазового синхронизма вида 2й для двухосных кристаллов разного знака.
4. Впервые показано, что наиболее эффективными при генерации второй гармоники ультракоротких импульсов ИК-диапазона из новых двухосных кристаллов являются кристаллы LiInSe2 и AgGaGeS4.
Научная ценность полученных результатов заключается в том, что они позволяют для фотометров ИК диапазона продвинуться в понимании возможностей повышения их чувствительности и точности измерений, основанных на преобразованием частоты ультракоротких импульсов при использовании двухосных нелинейных кристаллов. Научная значимость подтверждается включением результатов в число лучших достижений СО РАН 2005 и 2007 гг., а также реферированием статьи Shaiduko A.V., etc. Influence of composition ratio variation on optical frequency conversion in mixed crystals. I. Gradual variation of composition ratio // JOSA В, 2007, V. 24, № 9. P. 2443-2453» в журнале «Ultrafast Science» (США), как одной из лучших статей года.
Практическая значимость результатов работы. Применение метода определения условий высокоэффективного преобразования частоты в двухосных нелинейных кристаллах позволяет на новом качественном уровне анализировать процессы параметрического преобразования длинных и ультракоротких импульсов лазерного излучения, оптимизировать процесс проектирования, адекватно оценить потенциально достижимые технические характеристики и улучшить выходные характеристики преобразователей частоты ультракоротких импульсов. В частности:
1. Уточнены коэффициенты дисперсионных уравнений для нелинейных кристаллов LiInS2, LiInSe2 и AgGaGeS4, что позволяет минимизировать ошибки при определении дисперсионных свойств новых нелинейных кристаллов.
2. Полученные аппроксимации дисперсионных зависимостей показателей преломления нелинейного кристалла LiInSe2 использованы при разработке генераторов второй гармоники Er3+:YSGG и СОг-лазеров с улучшенными энергетическими выходными характеристиками.
3. Разработан пакет прикладных программ, получивший номер гос. регистрации (NLO-Second Harmonic Generation v.l Программа для ЭВМ. Св-во №2009611200 от 26 февраля 2009 г.)
4. Разработанные полная система классификациии и пакет прикладных
программ использованы при создании действующих макетов по бюджетным проектам ИМКЭС СО РАН, а также по проектам в рамках международной кооперации с университетами КНР (Харбинский технологический университет и Университет науки и технологий, г. Харбин) и Тайваня (Национальный университет Чиао Тёнг, г. Синчу).
В свою очередь, результаты оценок характеристик преобразователей частоты ультракоротких импульсов позволяют оценить и оптимизировать потенциальные характеристики прикладных спектрофотометрических систем на их основе и, в конечном счете, повысить точность проводимых с их помощью измерений.
Внедрение и использование результатов диссертационной работы. Результаты исследований использованы при написании отчетов Лаборатории экологического приборостроения 2002-2007 гг., Лаборатории геосферно-биосферных взаимодействий 2009-2010 гг., ИМКЭС СО РАН: 2002-2010 гг. и СО РАН 2005 г. и 2007 г. Внедрение результатов работы подтверждается двумя актами, представленными в Приложении 1.
Личный вклад автора. Диссертация является обобщением работ автора по исследованию дисперсионных свойств нелинейных кристаллов и характеристик преобразователей частоты ультракоротких импульсов в период 2002-2011 гг. При получении результатов данной работы автором внесен существенный вклад, состоящий в участии в постановке задач, разработке пакета прикладных программ и проведении численных расчетов, обработке и интерпретации результатов расчетов и экспериментов.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы представлялись, докладывались и обсуждались на международных, всероссийских и региональных конференциях: на V и VI Межд. симп. "Контроль и реабилит. окруж. среды", Томск, 2006 и 2008 гг.; на V и VI Сиб. совещ. по климатоэкол. монитор., Томск, 2003 и 2005 гг.; на IV школе-семин. молод, учен. «Совр. пробл. физики, технол. и инновац. развития», Томск, СФТИ, 2003 г.; на IX Межд. научно-практ. конф. студ., асп. и молод, уч. «Совр. Техн. и технология», Томск, ТПУ, 2003 г.; на VI, VII и IX Межд. конф. «Имп. лазеры на переходах атомов и молекул», Томск, 2003, 2005 и 2009 гг.; на X и XIII Межд. объед. симп. «Оптика атм. и океана. Физика атм.», Томск, 2003 и 2006 гг.; на Межд. конф. «Измерения, моделир. и инф. системы для изуч. окр. среды», Томск, 2004 г.; на VII Рос.-кит. симп. «Лазер, физика и лазер, технологии», Томск,
2004 г.; на Межд. конф. по когерент. и нелин. оптике (ICONO/LAT 2005), С-Петербург, 2005 г.; на XV Межд. симп. по сильноточной электронике, Томск, 2008 г.; на Межд. конф. «Оптика крист. и наноструктур», Хабаровск, 2008 г.; на Всерос. научно-техн. конф. студ., асп. и мол. уч. "Науч. сессия ТУСУР - 2009 и 2010", Томск, 2009 и 2010 гг.; на Межд. конф. «Вычисл. техн. в электрич. и электрон, инженерии», Иркутск, 2010 г.; на Межд. симп. «Взаимод. лаз. изл. с веществом», Чангчунь, 2010 г.; на XIX Межд. конф. по когер. и нелин. оптике, лазерам, их приложениям и технологиям (ICONO/LAT 2010), August 23-26, 2010, Kazan, Russia; на IV Всерос. школе для студ., асп., мол. уч. и спец. по лазер, физике и лазер, технол., 26-29 апреля 2010г., г. Саров; на XIV Межд. конф. по лазер, оптике «Ь0-2010», 28 июля 2010г., С-Петербург. Всего сделано 33 доклада, в том числе 16 устных и 8 в моноавторстве.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 20 статей, из них 13 в зарубежной и 7 в отечественной периодической рецензируемой печати (в том числе 19 из списка ВАК), 5 статей в сборниках трудов научных конференций и 33 тезиса докладов, получен номер гос. регистрации на пакет прикладных программ.
Структура, содержание и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, библиографического списка и приложений, подтверждающих внедрение и практическое использование результатов диссертационной работы. Работа изложена на X страницах, включает X таблиц, X рисунков и список библиографических источников из X наименований.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулирована цель и основные задачи исследований, указаны методы исследований, отмечены научная новизна и практическая ценность результатов работы, обоснована достоверность полученных данных, определены личный вклад автора и структура диссертации, представлена апробация и публикации результатов работы, сформулированы научные положения, выносимые на защиту.
В первой главе приведены основные понятия нелинейной кристаллооптики, охарактеризован объект исследования, дан краткий обзор литературы, приведено описание разработанного пакета прикладных программ для расчета характеристик преобразователей частоты ультракоротких импульсов, определенны достоверные
дисперсионные и нелинейные свойства кристаллов LiInS2, LiInSe2, LiIn(S,.xSex)2 и AgGaGeS*.
Разработанный пакет прикладных программ состоит из трёх основных частей: базы данных, визуального интерфейса и алгоритмов математического анализа. Банк данных' содержит информацию о физических свойствах 50 широко используемых и исследуемых кристаллов, в существенной степени определяющих эффективность процессов преобразования частоты ультракоротких импульсов.
Показано, что для описания дисперсионных свойств кристаллов LiIn(S|.xSex)2, являющихся твердым раствором кристаллов LiInS2 и LiInSe2 с отношением смешения х, может быть описано выражением
nw (LiIn(Si.xSex)2) = (l-x)-nw (LiInS2) + х- nx,y,z (LiInSe2), (1) где nw - значения главных показателей преломления. Определение достоверных дисперсионных уравнений позволило перейти к решению основных задач работы.
В Главе 2 приведены результаты разработки полной системы классификации лоций фазового синхронизма, обобщенной на все разновидности трехволновых коллинеарных взаимодействий в двухосных кристаллах I, II и III типов, без наложения ограничений на дисперсионные свойства рассматриваемых кристаллов [1-4].
Из определения оптической оси и условий фазового синхронизма для трех возможных (I, II и III) типов трехволновых взаимодействий в двухосных кристаллах
<у, л * + я * = й>3 и Г, (2)
+ (огп\ = 03иГ> (3)
а^п* + а)2п~ = С0)П~, (4)
(здесь i = 1.2,3 - порядковые номера частот взаимодействующих волн, знак «+» и «-» указывает на поляризацию волн, соответствующих большему и меньшему показателю преломления в направлении распространения излучений) и проведенных расчетов показано, что направления оптических осей в двухосных кристаллах трижды квазивырождены. В силу естественной дисперсии каждому выражению из (2-4) соответствует оптическая ось С], С2 или С3, направления которых могут быть определены по выражению (3), полученному из геометрических соображений
Q, = aresin
( 2 2 П., — П.
ч 1/2
, / = 1,2,3.
(5)
Здесь угол О, - это угол между ¡-ой оптической осью и осью г.
Впервые показана возможность существования нового типа лоции фазового синхронизма, проекция которой на плоскость пересекает дугу хг между трижды квазивырожденной оптической осью (Рис. 1). Расчеты нового вида лоции проведены на примере гипотетического двухосного кристалла с дисперсионными свойствами, близкими к свойствам широко используемого двухосного кристалла ВВО для соотношения взаимодействующих частот 1:3:4.
Для определения вида лоций фазового синхронизма в двухосных кристаллах впервые предложено использовать сводные параметры = 5 = и Т = определяемые знаками фазовых
рассогласований для трехволновых взаимодействий I, II и III типов вдоль
—;;; /-17,8®
..............."i i/ .39.Ь°,, -V--—
/\ 1 \ 1
j t
'fi^te^ /___х
•1.10
,1, -1.32
"г -1,33
-1,25
м -1,38
-1,46
'Iii -1,30
-1,48
У
Рис.1. Новый вид лоции фазового синхронизма (штриховая линия).
ж(л-, )
уЫ
Рис. 2. Возможные виды лоций фазового синхронизма._
главных осей оптической системы координат по выражениям Ак{ = (У,л„| + о)2п.г - й>3и з, Ак[ = + сагпл - , Л/с/ = й),^, + со2пу2 -<у3п,3; Ак" = (ахпух + со2п.2 - соъп з, Дк" = щпх1 + 0)2п:2 - со3пх], А к" = <у,иг1 +со2п 2 -со 3«г3;
(6)
Ак(" =(о,п., +0)гпуг -согпу},
Дк"' = <охпл + согпп - со}пхз, W
Д/с/^ = + й>2Пх2 ~ а)ъпхъ- '
В качестве численных значений частных параметров Fj, Si, Tj предложено использовать знаки фазового рассогласования вдоль главных оптических осей, соответственно, для I, II и III типа взаимодействия, определяемы следующим образом. Полагая знак равным 1 при Akj < 0 и нулю в иных случаях, параметры Fj, Si, Tj, обозначенные обобщенно как параметр Ij принимают ряд значений {0, 1, 2, 3}. Принятое для определенное™ соотношение главных значений показателей преломления пх>пу>пг нормальная дисперсия приводят к необходимости для выполнени условий фазового синхронизма выполнения условий
ДА/* ДА,", ДА/"; ¿ = 1,2,3, (9
Ак[, ДА/ < Ак'г; Ак" < Ак^-Ак"' * М,'", (Ю
что прямо приводит к соотношениям (11, 12):
F-i<Sj, Tj, i=l,2,3, (11
FbF3>F2;S3>S2, (12
которые могут быть использованы как базовые в создании системь классификации лоций фазового синхронизма без наложения ограничена на дисперсионные свойства исследуемых двухосных кристаллов, учетом этих выражений, вид лоций фазового синхронизма определяете* следующим образом. Если I^Ij (i^j), то лоция пересекает дугу xtxj,
частности, при лоция пересекает дугу ху и т.д. С физической точк зрения это означает, что если знаки фазового рассогласования вдол! осей х и у различны, то лоция фазового синхронизма проходит пересечением дуги ху . Если одинаковы - то не пересекает. Если н пересекает все оси, то лоция идет в объеме вокруг оптических осей, т.к. их направлении условия фазового синхронизма невыполнимы. При 1|= и 13=0 лоции пересекают дуги ох и оу. С использованием численны, значений параметров Ij система классификации лоций сведена закодированной сводной Табл. 1; в графическом виде показана на Рис. 2. При Ii=l, i=l,2,3 (колонка 3) условия фазового синхронизма н выполнимы. Лоция 2U (unusual - необычная) определяется только п знакам S и Т в соответствии с принятыми соотношениями главны
показателей преломления.
Таблица 1. Коды классификации видов лоций фазового синхронизма
Параметр Код вида лоции
0 1 + г 2й 2 3
Ы*) 0 0 1 0 1 1
Ыу) 0 0 0 1 0 1
Ыг) 0 1 0 1 1 1
Установлено, что положение необычной лоции 2" изменяется в зависимости от знака кристалла (штриховая линия для отрицательного кристалла). Показано, что впервые расчеты возможных видов лоций фазового синхронизма могут быть проведены без использования компьютеров.
Впервые предложен параметр
В= Ю-(/7+54 Т), (13)
характеризующий возможности выполнения условий фазового синхронизма в двухосных кристаллах по 10-ти бальной шкале: чем больше изменений видов лоций возможно у кристалла с изменением угловой настройки или температуры, тем выше его двулучепреломление и возможности выполнения условий фазового синхронизма. Из Табл. 1 следует, что если есть одно изменение вида лоций фазового синхронизма, то значение параметра 1| изменяется на ±1. Имеется девять вариантов изменения параметра В или их отсутствие (если выполнение условий фазового синхронизма не возможно).
Предложена нумерация классов лоций с использованием рекомендованных параметров Б, Б и Т (верхний ряд цифр на вставке в Рис. 3), связанная с ключевым для решения рассматриваемой задачи физическим свойством двухосных кристаллов - двулучепреломлением, а также дополнительного параметра Б, характеризующего число вырождений лоций (различных путей трансформации в определенную лоцию фазового синхронизма). Связь предложенной нумерации с фундаментальным физическим свойством кристаллов -двулучепреломлением через параметры Б, 8 и Т исключает путаницу при представлении и анализе результатов расчетов лоций фазового синхронизма. Предложена вторая, параллельная система нумерации лоций фазового синхронизма посредством порядкого номера Sq, также
определяемого через предложенные параметры И, 8, Т как
г
^ = ]Г(5-г)2 + (4-F)(5-F) + r-F + l,
непосредственно характеризующая принадлежность лоции к определенному классу лоций и одновременно показывающая уровень необходимого двулучепреломления для ее существования.
У:, --гэ-^
0\ РБТ
I.
, , ¡'613-';_._,-(11Л_,_Д)П",
Л-э^Л-нм I
Т 3 Т \ "I" 5
п_,п I
/:1 Отрицательный
а б
Рис. 3. Известная и предложенная диаграммы лоций фазового синхронизма. На вставке в правый рисунок показана предложенная система нумерации.
Предложенная двойная нумерация использована в создании новой полной трехмерной диаграммы переходов классов лоций фазового синхронизма. Для сравнения, пример известной и предложенной диаграмм переходов между классами приведен на Рис. 3. Известные диаграммы характеризуют переходы классов лоций фазового синхронизма в положительных и отрицательных в двухосных кристаллах, но всегда без аномальностей дисперсионных свойств.
Предложенная диаграмма обобщает классификацию переходов на все разновидности двухосных кристаллов без наложения ограничений на их дисперсионные свойства и другие свойства. Значения параметров Р, 8 и Т непосредственно характеризуют вид лоций в соответствии с ранее рассмотренной Табл. 1 и Рис. 2. Приводимый в параллель порядковый номер Sq отражает трасформацию классов лоций по числу лоций в них: в первом уровне (порядковые номера по 16 включительно) имеются лоции фазового синхронизма всех трех типов взаимодействий. Причем
нумерация лоций фазового синхронизма непосредственно связана с изменением двулучепреломления при перестройке длины волны накачки, углового позиционирования кристалла или его температуры. Порядковые номера с 17 по 25 характеризуют классы, содержащие лоции фазового синхронизма для взаимодействий I и II типов, а с 26 по 29 - только I типа. Класс 30 соответствует невозможности реализации условий фазового синхронизма. Параметр О облегчает поиск возможностей реализации специфичных условий фазового синхронизма с целью максимизации эффективности преобразования частоты ультракоротких импульсов. Определение точек перехода от одного вида лоций фазового синхронизма к другому происходит через совпадение направления фазового синхронизма с главными осями оптической системы координат, что позволяет, например, настроиться на некритичные угловые или температурные условия фазового синхронизма и улучшить эффективность преобразования частоты. В свою очередь, петлевой характер лоций фазового синхронизма указывает на возможность реализации некритичных спектральных условий фазового синхронизма, т.е. на возможность выполнения условий группового синхронизма в направлении фазового синхронизма, как одного из основных условий эффективного преобразования частоты ультракоротких импульсов.
С использованием предложенной диаграммы переходов идентифицировано 66 видов тридцати классов лоций фазового синхронизма и впервые 170 возможных разновидностей их переходов.
В Главе 3 показано, что для обеспечения максимальной потенциальной эффективности проектируемого преобразователя частоты ультракоротких импульсов, в соответствии с предложенным алгоритмом, необходимо выполнить следующие процедуры:
1.По результатам рассчитанной диаграммы переходов классов лоций фазового синхронизма, в виде, представленном на Рис. 4, а также с учетом нового вида лоции фазового синхронизма (Рис. 1), сделать выбор тех двухосных кристаллов, которые характеризуются наличием лоции фазового синхронизма, соответствующей проектируемой разновидности преобразователя частоты. В расчетах должны быть использованы определенные достоверные дисперсионные уравнения.
2. Для выбранных кристаллов, с учетом возможного изменения положения лоции вида 2й, рассчитать и построить трехмерные совмещенные графические зависимости условий фазового синхронизма и эффективного коэффициента качества для рассматриваемого типа
преобразования частоты. Эффективный коэффициент качества рассчитать по определенным достоверным значениям коэффициентов нелинейной восприимчивости второго порядка и представить в виде цветовой окраски кривых фазового синхронизма в соответствии с прилагаемой цветовой шкалой 1 (Рис. 4). Выбрать конкретный тип кристалла и направление накачки (равнозначно ориентацию рабочего образца кристалла) по максимальному значению коэффициента качества, что обеспечивает максимальную потенциальную эффективность преобразования частоты длинных импульсов излучения. В частности, на 1 Рис. 4 видно, что максимальная потенциальная эффективность генерации 1 второй гармоники будет достигнута при преобразовании частоты в I объеме двухосного кристалла Ы1пЗе2, а не в его главной плоскости, как это было известно.
■вив яв а шшшвгав > |
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 10 32 М ^ (гол®)1 I
Рис. 4. Условия фазового синхронизма в объеме кристаллов 1л1п8е2 по бб-Г (а) и I fs-f (б) типу и распределение значения эффективного коэффициента качества в соответствии с цветовой шкалой 1 (внизу).
В рассматриваемом случае преобразование частоты в объеме кристалла по йэ-Г типу трехволновых взаимодействий, а не по типу в его главной плоскости, дает преимущество в эффективности преобразования, превышающем 15% уровень.
3. Рассчитать и построить совмещенные с Рис. 4 диаграммы условий группового синхронизма в направлении фазового и групповой длины взаимодействия в виде ширины диаграмм группового синхронизма. В качестве примера на Рис. 6а показаны графические зависимости
а б с
Рис. 5. Совмещенное графическое представление результатов расчетов условий фазового синхронизма, эффективного коэффициента качества, группового синхронизма в направлении фазового (а) и групповой длины (масштабировано из Рис. 6а) синхронизма (б) в соответствии с цветовой шкалой 2 (с).
4. По рисункам вида Рис. 6а, путем визуального сравнения, выбрать направление накачки, обеспечивающее наличие групповового синхронизма в направлении фазового синхронизма, как одного из основных условий эффективного преобразования частоты ультракоротких импульсов [5] и одновременно соответствующее направлению на максимально возможное значение эффективного коэффициента качества в соответствии с цветовой шкалой 1. Для преобразования частоты ультракоротких импульсов преимущество в объеме кристалла Ы1 п8е2 по типу трехволновых взаимодействий выбор соответствия обеспечивает более, чем двухкратное преимущество в эффективности преобразования по отношению к кристаллу ЬПпБг.
5. По масштабированным рисункам вида Рис. 66 выбирается длина рабочего образца кристалла, равная групповой длине взаимодействия, в соответствии с цветовой шкалой 2. Увеличение длины рабочего образца кристалла до длины, равной групповой длине взаимодействия, обеспечивает увеличение эффективности преобразования пропорционально квадрату ее значения. Дальнейшее увеличение приводит к уменьшению эффективности.
Отметим, при необходимости шкалы 1 и 2 могут быть сделаны с иным шагом, а корректные оценки направления накачки и длины кристалла могут быть проведены путем численных расчетов в окрестности выбранных значений угла направления накачки и групповой
длины, что существенно сэкономит затраты рабочего времени.
Показано, что применение кристаллов твердых растворов с градиентом состава вдоль направления накачки, в частности ЬПг^Б]. х8ех)2, позволяют реализовать преобразователи ультракоротких импульсов с компрессией длительности до 2-х кратной.
Установлено, что отстройка от направления фазового синхронизма на 2-3° при генерации второй гармоники в двухосном кристалле ВВО позволяет нивелировать вляияние эффекта теплового самовоздействия и увеличить эффективность преобразования более чем на 40-60%.
Установлено, что модифицированные путем легирования одноосные кристаллы ваБе являются перспективными для преобразования частоты ультракоротких лазерных импульсов.
В заключении сформулированы основные результаты по разработке метода повышения чувствительности и точности ИК-фотометрии, основанный на высокоэффективном однокаскадном преобразовании частоты ультракоротких лазерных импульсов в двухосных нелинейных кристаллах, и сделаны выводы, а именно:
1. По результатам изучения условий фазового синхронизма разработан метод определения полной системы классификации лоций фазового синхронизма для двухосных нелинейных кристаллов как основного условия, определяющего эффективность процессов преобразования частоты для ИК-спектрофотометрии. Показано, что точность предлагаемого метода при сравнении теоретических расчетов с экспериментальными данными приводит к расхождению не более 1015%.
2. Обнаружен новый тип лоций фазового синхронизма и уточнено положение так называемой необыкновенной лоции, обеспечивающие максимальную эффективность преобразования частоты ультракоротких импульсов в ИК- спектрофотометрах .
3. Предложена обобщенная на все типы трехволновых взаимодействий и виды двухосных кристаллов трехмерная диаграмма переходов лоций фазового синхронизма, непосредственно связанная с физическим свойством кристалла - его двулучепреломлением. Диаграмма переходов позволяет разрабатывать преобразователи частоты ультракоротких импульсов с оригинальными характеристиками, в частности, работающими в условиях некритичного углового, температурного или спектрального синхронизма как способов, обеспечивающих
дополнительное увеличение эффективности фотометрирования. 5. Разработан алгоритм и программный комплекс для определения характеристик преобразователей частоты ультракоротких импульсов, обеспечивающий возможность достоверного определения всей совокупности условий высокоэффективного преобразования частоты ультракоротких импульсов.
5. Проведена численная оценка максимальной эффективности генерации второй гармоники ультракоротких импульсов в пределах ИК-диапазона в двухосных кристаллах LiInS2, LiInSe2, LiIn(S|.xSex)2 и AgGaGeS4. Установлено более чем 10-кратное преимущество кристаллов LiInSe2 и AgGaGeS4 в эффективности генерации второй гармоники излучения ИК-диапазона благодаря более высоким значениям двулучепреломления в пределах 0,044-0,057 и коэффициентов нелинейной восприимчивости в пределах 5,4-31 пм/В, что показывает предпочтительность их использования в составе ИК-спектрофотометров.
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
1. Zhang Y.-F., Wang R., Kang Z.-H., Qu L.-L., Jiang Y., Gao J.-Y., Andreev Y.M., Lanskii G.V., Kokh K.A., Morozov A.N., Shaiduko A.V., Zuev V.V. AgGaS2- and Al-doped GaSe crystals for IR applications II Optics Communications. 2011. V. 284, № 6. P. 1677-1681.
2. Андреев Ю.М., Зуев В.В., Ионин А.А., Киняевский И.О. , Климачёв 10.М., Козлов АЛО. , Котков А.А., Ланский Г.В., Шайдуко А.В. Удвоение и смешение частот лазеров на монооксиде углерода в нелинейных кристаллах ZnGeP2 и GaSe. Оптический журнал. 2011. Т. 78, № 2. С. 26-29.
3. Жанг Л.-М., Гуо Д., Ли Д.-Д., Се Д.-Д, Андреев Ю.М., Горобец В.А, Зуев В.В. , Кох К.А. , Ланский Г.В. , Петухов В.О. , Светличный В.А., Шайдуко А.В. Измерение дисперсионных свойств GaSei.xSx в терагерцовом диапазоне // Журнал прикладной спектроскопии. 2010. Т. 77, № 6. С. 916922.
4. Huang Jin-Jer, Wang Hong, Chang Yan-Qin, Shen Tao, Andreev Yu.M., Shaiduko A.V. Simulation to the temperature-beams' coupling in SHG of BBO crystals // Acta Physica Sinica. 2010. V. 59, № 9. 2010. P. 6235-6241.
5. Чу Л.-Л., Жанг И.-Ф., Кан Ж.-Х., Джиан Ю„ Гао Д.-Ю., Андреев 10.М„ Винник Е.М., Зуев В.В., Кох К.А., Ланский Г.В., Морозов А.Н., Шайдуко А.В. Фазовый синхронизм для ГВГ в кристаллах GaSe // Известия ВУЗов. Физика. 2010. № 12. С. 13-20.
6. Ланский Г.В., Шайдуко А.В. NLO-Second Harmonie Génération v.l Программа для ЭВМ. ГР №2009611200 от 26 февраля 2009 г.
7. Wang Hong, Huang Jin-Jer, Chang Yan-Qin, Shen Tao, Andreev Y. M., Shaiduko A. V. Simulation to the temperature-beams' coupling in SHG of BBO crystals // Sciencepaper Online, Physics, 2009-02-10, 9 p., http://www.paper.edu.cn.
8. Huang Jin Jer, Shen Tao, Ju Ji Gang, Gao Wei, Wang Hong, Andreev Yu.M., Shaiduko A.V. Complete classification of the loci for three-wave collinear quadratic parametric interactions in biaxial acentric crystals // Optics Communications. 2008. V. 281. P. 3208-3216.
9. Huang Jin Jer, Ji Guang Jti, Shen Tao, Andreev Yu.M., Shaiduko A.V., Lanskii G.V. Influence of composition ratio variation on optical frequency conversion in mixed crystals. I. Gradual variation of composition ratio // J. Opt. Soc. Am. B. 2007. V. 24. P. 2443-2453.
10. Huang Jin Jer, Gao Wei, Shen Tao, Mao Bei Li, Andreev Yu.M., Shaiduko A.V., Lanskii G.V., Chatterjee Udit, Atuchin V.V. Influence of composition ratio variations on optical frequency conversion in mixed crystals II: random variation of composition ratio // J. Opt. Soc. Am. B. 2007. V. 24. P. 3081 -3090.
11. Wang T.-J., Kang Z.-H., Feng Z.-S., Jiang Y., Gao J.-Y., Andreev Yu.M., Lanskii G.V., Shaiduko A.V. Model and experimental investigation of frequency conversion in AgGaGexS2(1+x) crystals. J. Phys. D: Appl. Phys. 2007. V. 40. P. 1357-1362.
12. Ванг Т.-Дж., Кан Ж.-Х., Гао Дж.-Ю., Андреев Ю.М., Ланский Г.В., Шайдуко А.В. Наносекундный, источник когерентного излучения диапазона 2.65-5.29 мкм для лидарных систем // Оптика атмосферы и океана. 2007. V. 20. Р. 721-724.
13. Хуанг Дж.Ж., Андреев Ю.М., Атучин В.В., Ланский Г.В., Шайдуко А.В. Дисперсионные свойства нелинейных кристаллов LiInS2, LiInS2 и LiIn(Se0 5So.5)2 // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2005. Т. 2, № 1. С. 21-23.
14. Huang J.-J., Andreev Yu.M., Atuchin V.V., Lanskii G.V., Shaiduko A.V. Acceptable mixing ratio variations of LiIn(Sei_xSx)2 crystals for applied porpoises // Fundamental problems of a modern science of materials. 2005. V. 2, №2. P. 117-120.
15. Huang J.-J., Andreev Yu.M., Lanskii G.V., Shaiduko A.V., Das S., Chatterjee U. Acceptable composition-ratio variations of a mixed crystal for nonlinear device applications //Appl. Optics. 2005. V. 44, № 35. P. 7644-7650.
16. Андреев Ю.М., Бадиков В.В., Гейко П.П., Гречин С.Г., Ефименко В.В., Ефименко Т.Д., Панютин В.Л., Тихомиров А.А., Шайдуко А.В Генерация второй гармоники TEA С02 лазера в LiInSe2 // Оптика атмосферы и океана. 2004. Т.17,№ 2-3. С. 133-139.
17. Andreev Yurii, Ren De-Ming, Huang Jin-Zhe, , Geiko Pavel, Badikov Valerii and Shaiduko Anna. Optical properties and frequency conversion with AgGaGeS4 crystal // Chinese Physics. 2004. V. 13, № 9. P. 1468-1473.
18. Huang J., Ren D., Ни X., Qu Y., Andreev Yu.M., Geiko P.P., Shaiduko A.V., Grechin S.G. Optical properties and phase matching in LiInS2 // Chinese Opt. Lett. 2003. V.l, №4. P.237-240.
18. Andreev Y.M., Lanskiy G.V., Shaiduko A.V., Sarkisov S.Yu., Tikhomirov A.A. New experimental data on frequency conversion in HgGa2S4 crystals // Мат. V Межд. симп. «Контроль и реабилитация окружающей среды». 2006. С, 55-57.
19. Андреев Ю.М., Ланскгш Г.В., Тихомиров А.А., Шайдуко А.Б, Инженерия оптических свойств нелинейных кристаллов GaSe путем легирования// VI Межд. симп. "Контроль и реабилит. окр. среды". 3-5 июля 2008. ИМКЭС СО РАН. Томск. Матер, симп. Изд. ООО «Аграф-Пресс». Томск, 2008. С. 78-80.
20. Шайдуко А.В. Возможности создания преобразователей частоты фемтосекундных лазеров для экологических лидаров // Мат. докладов V Сиб. совещания по клим.-эколог, мониторингу. ИОМ СО РАН. 2003. С. 188-191.
21. Андреев Ю.М., Ланский Г.В., Шайдуко А.В., Хуанг Дж. Допустимые вариации состава смешанного кристалла для нелинейных лазерных приложений // Мат. док. VI Сиб. Сов. по клим.-эколог, мониторингу. 2005. С. 458-463.
22. Шайдуко А.В. Согласование групповых скоростей в новом нелинейном кристалле AgGaGeS4 // Мат. IV школы-семинара мол. ученых «Совр. проблемы физики, технологии и инновационного развития». 2003. С. 25-26.
23. Шайдуко А.В. Согласование групповых скоростей в кристалле LiInS2 // Мат. IX Межд. науч.-практ. конф. студ., асп. и мол. уч. «Совр. техника и технол.». 2003. С. 34-36.
24. Andreev Yu.M., Geiko P.P., Badikov V.V., Grechin S.G., Grechin S.S., Lanskii G.V., Panyutin V.L., Shaiduko A.V., Shevyrdyaeva G.S., Sheina S.G. Revision of optical properties and applications of mixed AgGaGexS2(i+X) crystals // Atomic and molecular pulsed lasers: Proc. of VI Int. Conf. 2003. P. 95-96.
25. Huang J.-J., Andreev Yu.M., Lanskii G.V., Shaiduko A.B. Analysis of phase matching conditions and potential efficiencies of middle IR OPO // Atomic and Molecular Pulsed Lasers: Proc. of VII Int. Conf. 2005. P. 98-99.
26. Lansky G.V., Shaiduko A.V. Complex graphic-format representation of estimation results on parametric frequency conversion processes in non-linear crystals // The 9th Int. Conf. "Atomic and Molecular Pulsed Lasers": Abstr. IAO SB RAS, 2009. P. 101.
27. Shaiduko A. V. Model investigation of SHG in BBO crystal with accounting of the thennal processes // The 9th Int. Conf. "Atomic and Molecular Pulsed Lasers":
Abstracts. IAO SB RAS, 2009. P. 110.
28. Geiko P.P., Shaiduko A.V., Jin-Yue Gao, Tao Ma, Yu Jiang, Grechin S.G. New possibilities in design of femtosecond light sources for lidar applications // IX Joint Int. Symp. on Atmos. and Ocean Optics. Atmos. Physics. Proc. SPIE. 2003. V. 5026. P. 132-139.
29. Wang T.-J., Kang Z.-H., Zhang H.-Z., Jiang Y., Gao J.-Y., Andreev Y.M., Lanslcii G. V., Shaiduko A. V. Model and experimental investigation of frequency conversion in AgGaGexS2(i+x), x=0 and 1, crystals // Proc. of XIII Int. Symp. Ocean and Atm. Optics. 2006. P. 154-155. ,
30. Шайдуко A.B. Сравнительный анализ параметров параметрических генераторов света для лидарных систем среднего ИК диапазона // Тезисы межд. конф. по измерениям, моделированию и инф. сист. для изучения окружающей среды. 2004. С. 31-32.
31. Shaiduko A.V. Extra-wide-band mid-IR sources // Proc. of the 9th Russian-Chinese Symp. on Laser Physics and Laser Technologies, October 26-31, 2008, Tomsk, TSU, Russia. Tomsk: TSU, P. 154-157.
32.Andreev Y.M., Lanskiy G.V., Frolov Yu.N., Sarkisov S.Yu., Shaiduko A.V., Tikhomirov A.A., Voevodina O.V. Doped GaSe nonlinear crystals 11 Int. Conf. on Coherent and Nonlinear Optics: Proc. of ICONO/LAT. 2005. P. 105.
33. Andreev Yu.M., Lanskii G.V., Shaiduko A.V. Laser frequency conversion with pulse compression in solid solution crystals // Proc. Of 15'1' Int. Symp. On high current electronics. September 2008. Tomsk. P. 427-428.
34. Atuchin V. V., Lanskii G. V., Shaiduko A. V. Dispersion, group velocity and phase matching proper-ties of biaxial nonlinear crystals// Proc. of Int. Conf. "Optics of Crystals and Nanostructures" 12-15 ноября 2008. Habarovsk. Russia. Far Eastern Railway Transportation University. C. 132-135.
35. Шайдуко A.B. Групповой синхронизм в направлении фазового в двухосных нелинейных кристаллах // Научная сессия ТУСУР-2009: Матер, докл. Всерос. науч.-тех. конф. студ., аспирантов и молод, ученых, 12-15 мая 2009 г.: В пяти частях. Ч. 1. Томск: В-Спектр, 2009, С. 245-247.
36. Шайдуко А.В. Моделирование тепловых процессов самовоздействия в нелинейных кристаллах // Научная сессия ТУСУР-2010: Матер, докл. Всерос. науч.-тех. конф. студ., аспирантов и молод, ученых, 4-7 мая 2010 г.: В пяти частях. Ч. 4. Томск: В-Спектр, 2010, С. 245-247.
37. Ки S.A., Luo C.W., Chu W.C., Andreev Yu.M., Atuchin V.V., Lanskii G.V., Morozov A.N., Shaiduko A. V., Zuev V. V. Physical properties of electrooptical GaSe:Al // Proc. IEEE Region 8 International Conference on Computational Technologies in Electrical and Electronics Engineering (SIBIRCON-2010),
Irkutsk Listvyanka, Russia, July 11-15, 2010. IEEE Catalog Number: CFP1011E-CDR, ISBN: 978-1-4244-7624-4, P.581-583.
38. Шайдуко А.В., Ланский Г. В. Frequency conversion modeling into Tz range // Proc. of Laser Interaction with Matter Intern. Symp. August 2010. Changchun, China. P. 82-83.
39. Ionin A., Kinyaevskiy I., Klimachev Yu., Kotkov A., KozlovA., Andreev Yu., Lanskii G., Morozov A., Shaiduko A. Sccond harmonic generation phase matching in GaSe crystals // XIX Межд. конф. по когерентной и нелинейной оптике, лазерам, их приложениям и технологиям (ICONO/LAT 2010), August 23-26, 2010, Kazan, Russia, LTh016,J\ 111. http://congress.phvs.msu.ru/iconolatlO/.
40. Andreev Yu., Ionin A., Kinyaevskiy I., Klimachev Yu., Kotkov A., Kozlov A., Lanskii G., Morozov A.N., Shaiduko A.V. SHG phase matching in GaSe crystals // IV Всерос. школа для студ., асп., мол. уч. и специалистов по лазерной физике и лазерным технологиям, 26-29 апреля 2010г., г. Саров, Сборник докл. С. 151-153.
41. Andreev Yu., Ionin A., Kinyaevskiy I., Klimachev Yu., Kotkov A., Kozlov A., Lanskii G., Morozov A.N., Shayduko A. V. Phase matching of the second harmonic generation in GaSe crystals // Technical program of 14 Int. Conf. on Laser Optics "L0-2010", 28 June - 02 July 2010, St. Petersburg, Russia. P. 53.
СПИСОК ЦИТИРОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Hobden M.V. Phase-matched second-harmonic generation in biaxial crystals // J. Appl. Phys. 1967. V. 38, № 11. P. 4365-4372.
2. Степанов Д.Ю., Шигорин В.Д., Шипуло Г.П. Направления фазового синхронизма при оптическом смешении в двуосных кристаллах с квадратичной восприимчивостью // Квантовая электроника. 1984. Т. 11, № 10. С. 1957-1964.
3. Feve J.P., Boulanger В., Marnier G. Calculation and classification of the direction loci for collinear types I, II and III phase-matching of three-wave nonlinear optical parametric interactions in uniaxial and biaxial acentric crystals // Optics Communications. 1993. V. 99. P. 284-302.
4. Гречин С.Г., Гречин С.С., Дмитриев В.Г. Полная классификация типов взаимодействия при генерации второй гармоники в двухосных кристаллах // Квантовая электроника. 2000. Т. 30, № 5. С. 377-386.
5. Гордиенко В.М., Михеев П.М., Прялкин В.И. Эффективная параметрическая генерация фемтосекундного ИК излучения в схеме с использованием свойств групповых синхронизмов // Квантовая электроника. 1999. Т. 28, № 1.С. 37-42.
Печ. л. 6. Тираж 100 экз. Заказ № 1601 Тираж отпечатан в типографии «Компания «Милон» 634050, г. Томск, пр. Фрунзе, 7, оф. 1
61 12-1/514
На правах рукописи
ШАЙДУКО АННА ВАЛЕРЬЕВНА
МЕТОД ПОВЫШЕНИЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ И ТОЧНОСТИ ИК-ФОТОМЕТРИИ, ОСНОВАННЫЙ НА ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОМ ПРЕОБРАЗОВАНИИ ЧАСТОТЫ В ДВУХОСНЫХ НЕЛИНЕЙНЫХ
КРИСТАЛЛАХ
Специальность 01.04.01 - Приборы и методы экспериментальной физики
Научный руководитель д.ф-м.н. Андреев Юрий Михайлович
Диссертация на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук
Томск - 2011
ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ
е-луч (волна) - луч (волна) необыкновенной поляризации о-луч (волна) - луч (волна) обыкновенной поляризации ГБВ - генератор бегущей волны ИК - инфракрасный
ПГС - параметрический генератор света ФС - фазовый синхронизм ОПУ- оптический параметрический усилитель ОРУ - оптический регенеративный усилитель
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
ВВЕДЕНИЕ.....................................................................................................................5
ГЛАВА 1. Дисперсионные свойства двухосныхнелинейных кристаллов................24
1.1. Предварительные замечания.............................................................................24
1.2. Дисперсионные и нелинейные свойства кристаллов
1Лп32, и^Эе?, [Лп^.хБехЬ и АдСаСеБ^...................................................................34
1.2.1. Линейные и нелинейные оптические свойствакристаллов Ыпвг.................38
1.2.2. Линейные и нелинейные оптические свойства кристаллов и1пБе2...............48
1.2.3. Дисперсия показателей преломления нелинейных кристаллов твердых растворов 1Лп(5е1.х8х)2................................................................................................54
1.2.4. Линейные и нелинейные свойства кристаллов АдваЗг и твердого раствора АдОаОеБ/).....................................................................................................................58
Выводы по Главе 1......................................................................................................61
ГЛАВА 2. Система классификации лоций фазового синхронизма...........................62
2.1. Предварительные замечания..............................................................................62
2.2. Определения и допущения..................................................................................71
2.3. Система классификации......................................................................................74
2.3.1. Фундаментальные положения..........................................................................74
2.3.2. Новый вид лоции фазового синхронизма........................................................77
2.3.3. Трехмерная модель графического представления диаграммы переходов классов лоций фазового синхронизма.......................................................................78
2.4. Ранжирование нелинейных кристаллов по возможностям выполнения условий фазового синхронизма................................................................................................82
Выводы по Главе 2......................................................................................................83
ГЛАВА 3. Эффективность преобразователей частоты на основе двухосных кристаллов....................................................................................................................85
3.1. Предварительные замечания..............................................................................85
3.2. Выбор направления фазового синхронизма, обеспечивающего максимальное
значение коэффициента качества..............................................................................87
3.3. Выбор условий группового синхронизма и групповой длины кристалла..........90
3.4. Максимизация эффективности преобразователя частоты ультракоротких импульсов.....................................................................................................................95
3.5. Другие методы увеличения эффективности преобразования и контроля характеристик преобразованного излучения.............................................................97
3.5.1. Компенсация теплового самовоздействия.......................................................97
3.5.2. Использование кристаллов переменного состава........................................105
3.5.3. Использование новых кристаллов..................................................................110
Выводы по Главе 3....................................................................................................110
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК _ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ............113
ПРИЛОЖЕНИЕ 1........................................................................................................125
ПРИЛОЖЕНИЕ 2........................................................................................................126
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. В современных системах ИК-фотометрирования в качестве источников аналитического излучения перспективно использовать перестраиваемые в широком диапазоне спектра и широкополосные источники света. Особого внимания заслуживают параметрические преобразователи частоты фемтосекундных ТкБаррЫге (0,7-1,1 мкм) и СгЯо^егйе (1,25-1,32 мкм) лазеров методами нелинейной кристаллооптики, обеспечивающие генерацию сверхширокополосного излучения в соответствии с законом неопределенности [1]. Поскольку чувствительность и точность фотометрирования связаны с мощностью аналитического излучения, актуальным является поиск путей повышения эффективности параметрических преобразователей частоты. Эффективность параметрических преобразователей частоты ультракоротких импульсов определяется, прежде всего, диапазоном прозрачности и дисперсионными свойствами нелинейных кристаллов, определяющими возможность выполнения условий группового синхронизма в направлении фазового синхронизма для взаимодействующих волн и ограничивающих предельную длину рабочих образцов, которая не должна превышать групповую длину взаимодействия. [2]
Отсутствие до последнего времени эффективных кристаллов, прозрачных как на длинах волн существующих фемтосекундных лазеров, так и в среднем ИК-диапазоне, привело к необходимости разработки двухкаскадных преобразователей частоты ультракоротких импульсов в средний ИК-диапазон (Табл.1), характеризующихся невысокой эффективностью. [3] Вынужденное использование во вторых каскадах одноосных кристаллов зачастую обуславливает малую групповую длину взаимодействия и, как следствие, эффективность. Эта же ситуация имеет место в разработке преобразователей частоты ультракоротких импульсов в пределах среднего ИК-диапазона, таких как генераторы второй гармоники.
Освоение ростовой технологии перспективных широкополосных двухосных кристаллов с высокими нелинейными свойствами, таких как Ы1п52 [4, 5, б, 7, 8, 9, 10, 11, 12], ШпБег [13, 14, 15, 9, 10, 11], 1Лп(51„х5ех)2 [16, 17, 18, 19, 20, 21] и АдСаСе54 [22, 23, 24, 25, 26], открыло новые возможности в разработке однокаскадных преобразователей частоты ультракоротких импульсов, как в
средний ИК-диапазон, так и в его пределах с улучшенными выходными характеристиками.
Таблица 1. Многокаскадные преобразователи частоты.
Параметрический преобразователь частоты -» X, мкм Тр, фс tir, фс Е(Дж)/Р(Вт)
Ti:sapphire (ОРУ) (815 нм)-> ГБВ/усилитель^-ГРЧ (AgGaS2)^-4,5-1,5 мкм 120 400 10 нДж [27]
Nd:glass^rBB (BI30)->rP4(GaSe)->4-20 мкм 500 700 25 мкДж [28]
Ti: sapphire (ОРУ) (740-850 нм)^ГБВ (1_ВО)->ГРЧ (AgGaS2)->3,3-10 мкм 160 160 50 нДж [29]
Tirsapphire (775 нм)->ПГС (LBO)-^rPM (ШОз или AgGaS2)^>2,5-5,5 мкм 200 500 мкВт [30]
Ti:Sapphire (ПГС) (0,8 MKM)->GaAs->7-15 мкм 10-15 30 нВт [31]
Ti: Sapphire-^ГРЧ (GaSe)->9-18 мкм 20 140 1 мВт [32]
Ti: Sapphire (ПГС) (780 нм)->ГРЧ (GaSe)->7-20 мкм 13 95 5 мкВт [33]
Ti:sapphire (789 нм)-> ОРО (СТА)^ОРО (AgGaSe2)->1,93-2,49 мкм/4,1-7,9 мкм 100 350 67 мВт [34]
Ti:sapphire (ОРУ) (800 нм)^ОПУ (ВВО)->ГРЧ (GaSe)->3-20 мкм 90 50 [35]
Сг: forsterite (ОРУ) (1,25 мкм)-»ГБВ (AgGaS2)-> 8 мкм С г: forsterite (ОРУ) (1,25 мкм)->ГВГ (LBO)—>ОПУ 1 (ВВО)-ЮПУ 2 (AgGaS2)->4-12 мкм 175 175 [36]
Cnforsterite (ОРУ)(1,25 мкм)->ГВГ (1_ВО)-ЮПУ 1 (1_ВО)-»ОПУ 2 (HgGa2S4/AgGaS2)^5-9 мкм 175 1 мкДж [37]
Здесь тр - длительность импульса накачки, i|R - длительность преобразованного по частоте ИК-импульса, ОРУ - оптический регенеративный усилитель, ГБВ -генератор бегущей волны, ПГС - параметрический генератор света, ОПУ -оптический параметрический усилитель. В скобках указан вид нелинейного кристалла, стрелка указывает на длину волны преобразованного по частоте ультракороткого импульса.
Характерные для двухосных кристаллов сложные зависимости дисперсионных свойств от направления распространения пучков [38] и наличие существенных различий в дисперсионных свойствах при переходе от одной разновидности кристалла к другой позволяют с большей вероятностью, чем в одноосных кристаллах, выполнить все условия эффективного преобразования частоты ультракоротких импульсов [39, 40]. Более того, их выполнение оказывается возможным не в фиксированном направлении, как в одноосных кристаллах, а в совокупности направлений, образующих некоторую поверхность второго порядка в объеме двухосных кристаллов. Это позволяет выбрать направление накачки, соответствующее наибольшему значению эффективного коэффициента нелинейной восприимчивости, являющегося третьим по значимости фактором, определяющим эффективность преобразований. И, наконец, двухосные кристаллы дают широкие возможности в выборе специфичных условий синхронизмов, способствующих дальнейшему увеличению эффективности преобразования частоты [41].
В силу перспективности, параметрические преобразователи частоты ультракоротких импульсов на основе новых двухосных кристаллов 1_Ип32, Ыпвег, 1Лп(5-|-х8ех)2 и АдСаСе34 выбраны в качестве объектов данного исследования.
Сложность изменения дисперсионных свойств в объеме двухосных кристаллов и отсутствие общепринятой системы их классификации с численно определенными границами классов, а также отсутствие общепринятых:
■ связей между осями кристаллографической и оптической систем координат при описании дисперсионных свойств;
■ системы классификации разновидностей типов преобразователей частоты;
■ обозначений поляризаций волн;
■ подхода к учету вырождения оптических осей;
■ полной обобщенной системы классификации лоций фазового синхронизма;
■ общего подхода в нумерации классов лоций фазового синхронизма при отсутствии логической связи нумерации с физическими свойствами двухосных кристаллов, наряду с большим разбросом известных данных о дисперсионных свойствах,
а также отсутствие оптимального алгоритма проектирования обусловили незавершенность проведенных исследований по выяснению возможностей создания однокаскадных преобразователей частоты ультракоротких импульсов на основе двухосных кристаллов с максимальной эффективностью преобразования частоты.
Целью данной работы является разработка метода повышения чувствительности и точности ИК-фотометрирования, основанного на определении условий высокоэффективного однокаскадного преобразования частоты ультракоротких лазерных импульсов в двухосных нелинейных кристаллах.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Разработать полную обобщенную систему классификации лоций фазового синхронизма без наложения ограничений на дисперсионные свойства рассматриваемых кристаллов, пригодную для сравнительного анализа возможностей выполнения условий фазового синхронизма и последующего отбора по этому признаку двухосных кристаллов, пригодных для проектирования преобразователя частоты ультракоротких импульсов рассматриваемого типа;
2. Разработать алгоритм и пакет прикладных программ для расчета и количественного сравнения всей совокупности характеристик двухосных кристаллов, ответственных за эффективность преобразования частоты ультракоротких импульсов;
3. Провести численную оценку максимальной эффективности генерации второй гармоники ультракоротких импульсов в пределах ИК-диапазона в двухосных кристаллах ЫпБг, 1ЛпЗе2, Ып^.хБехЬ и АдОаСеБд.
Методы исследования. Поставленные цели достигались путем использования комплексного подхода. Основным методом исследования являлось численное моделирование, основанное на сравнительном анализе результатов расчетов, использовании известных данных и результатов экспериментальных исследований.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Метод, основанный на полной системе классификации лоций фазового синхронизма для двухосных нелинейных кристаллов, позволяет повысить чувствительность и точность ИК-фотометрирования.
2. Разработанный алгоритм на основе предложенного метода классификации лоций фазового синхронизма обеспечивает достоверное определение условий высокоэффективного преобразования частоты ультракоротких импульсов.
3. Использование кристаллов 1Лп5е2 и АдОаСе84 в ИК-спектрофотометрах на
основе генераторов второй гармоники ИК-диапазона предпочтительнее кристаллов 1Лп52 и 1Лп(51_хЗех)2 в силу 10-кратного преимущества по эффективности преобразования частоты.
Достоверность результатов диссертационной работы обеспечена:
1. Применением в расчетах моделей среды, обоснованных и подтвержденных данными, которые получены в результате многочисленных экспериментов.
2. Использованием в расчетах теоретических подходов и приближенных методов, область применения и погрешность которых хорошо известна.
3. Сравнением теоретических расчетов с экспериментальными данными. Погрешность отклонения находилась в пределах 10-15%.
4. Сравнением результатов расчетов в частных случаях с теоретическими выводами других авторов.
Связь работы с научными программами и темами. Работа выполнена в рамках Приоритетного направления СО РАН на 2004-2006 гг. «28. Экология и рациональное природопользование. Мониторинг окружающей среды», Проект 28.2.3. «Разработка новых методов, технологий и приборов на основе оптических, радиоволновых и акустических эффектов для контроля природных и техногенных систем, а также для решения специальных задач» (per. № 01200408133), на 2007-2009 гг. «7.13. Разработка методов, технологий, технических и аналитических средств исследования поверхности и недр Земли, гидросферы и атмосферы. Геоинформатика», Проект 7.13.1.2. «Развитие методов и технических средств на основе оптических, радиоволновых и акустических эффектов для изучения природных и техногенных систем» (утверждено Постановлением Президиума СО РАН №40 от 12.02.2007) и Программы VII.63.3 "Климатические изменения в Арктике и Сибири под воздействием вулканизма", Проект VII.63.3.1 "Вулканогенные возмущения атмосферы и изменения климата Сибири и Субарктики: Современное состояние и палеореконструкция" на 2010-2012 гг. (утверждено 17.09.2009 г. ПСО № 260).
Научная новизна:
1. Разработан новый метод повышения чувствительности и точности ИК фотометров, основанный на определении классификации лоций фазового синхронизма для двухосных кристаллов, исключающий наложение ограничений на дисперсионные свойства рассматриваемых кристаллов.
2. Определен новый тип лоций фазового синхронизма двухосных кристаллов, одна точка проекции которого на главную плоскость XZ пересекает дугу xz между трижды квазивырожденными оптическими осями.
3. Впервые определено положение лоции фазового синхронизма вида 2й для двухосных кристаллов разного знака.
4. Впервые показано, что наиболее эффективными при генерации второй гармоники ультракоротких импульсов ИК-диапазона из новых двухосных кристаллов являются кристаллы LilnSe2 и AgGaGeS4
Научная ценность полученных результатов заключается в том, что они позволяют для фотометров ИК-диапазона продвинуться в понимании возможностей повышения их чувствительности и точности измерений, основанных на преобразовании частоты ультракоротких импульсов при использовании двухосных нелинейных кристаллов.
Научная значимость подтверждается включением результатов в число лучших достижений СО РАН 2005 и 2007 гг., а также реферированием статьи Shaiduko A.V., etc. Influence of composition ratio variation on optical frequency conversion in mixed crystals. I. Gradual variation of composition ratio // JOSA В, 2007, V. 24, № 9. P. 2443-2453» в журнале «Ultrafast Science» (США), как одной из лучших статей года.
Практическая значимость результатов работы. Применение метода определения условий высокоэффективного преобразования частоты в двухосных нелинейных кристаллах позволяет на новом качественном уровне анализировать процессы параметрического преобразования длинных и ультракоротких
импульсов лазерного излучения, оптимизировать процесс проектирования, адекватно оценить потенциально достижимые технические характеристики и улучшить выходные характеристики преобразователей частоты ультракоротких импульсов. В частности:
1. Уточнены коэффициенты дисперсионных уравнений для нелинейных кристаллов LilnS2, LilnSe2 и AgGaGeS4, что позволяет минимизировать ошибки при определении дисперсионных свойств новых нелинейных кристаллов.
2. Полученные аппроксимации дисперсионных зависимостей показателей преломления нелинейного кристалла LilnSe2 использованы при разработке генераторов второй гармоники Er3+:YSGG и СОг-лазеров с улучшенными энергетическими выходными характеристиками.
3. Разработан пакет прикладных программ, получивший номер гос. регистрации (NLO-Second Harmonic Generation v.1 Программа для ЭВМ. Св-во №2009611200 от 26 февраля 2009 г. )
4. Разработанные полная система классификации, алгоритм расчета и пакет прикладных программ использованы при создании действующих макетов по бюджетным проектам ИМКЭС СО РАН, а также по проектам в рамках кооперации стран содружества: Институтом физики НАНБ Беларуси и в рамках международной кооперации с университетами КНР (Харбинский технологический университет и Университет науки и технологий, г. Харбин) и Тайваня (Национальный университет Чиао Тёнг, г. Синчу), в рамках протокола о намерениях с Физическим колледжем Джилинского университета, г. Чанчунь, КНР.
В свою очередь, результаты оценок характеристик преобразователей частоты ультракоротких импульсов позволяют оценить и опти
