Прикладная нелинейная оптика: Генераторы второй гармоники и параметрические генераторы света - Дмитриев В.Г.
Скачать (прямая ссылка):
Йриложениё
НЕЛИНЕЙНЫЕ КРИСТАЛЛЫ ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ ГАРМОНИК И ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ ГЕНЕРАЦИИ
СВЕТА
Требования, предъявляемые к нелинейным кристаллам. В настоящее время известно большое количество нелинейных кристаллов, в которых возможны трехволновые нелинейные взаимодействия (см., например, [1]). Однако требования, предъявляемые к кристаллам с точки зрения получения необходимых характеристик нелинейных оптических устройств (генераторов гармоник и параметрических генераторов света), существенно сокращают число пригодных для практического использования материалов.
Прежде всего отметим два основных требования: наличие квадратичной нелинейности (отсутствие центра симметрии) и наличие двулучепреломления, достаточного для обеспечения условий фазового синхронизма. Если первому требованию удовлетворяет достаточно большое (~ 100) число кристаллов и органических соединений, то второму требованию лишь относительно небольшое число материалов. Отметим также требование высокого оптического качества кристаллов, предопределяемое интерференционной природой квадратично-нелинейных эффектов. При этом важно, чтобы высоким оптическим качеством обладали кристаллические образцы достаточно больших размеров.
Дополнительные требования, традиционно предъявляемые к кристаллам с первых же шагов нелинейной оптики: стойкость поверхности и объема образца к лазерному излучению, устойчивость и сохраняемость свойств материала во внешней среде (негигроско-пичность, твердость, устойчивость к резким изменениям температуры и т. п.). В процессе развития нелинейной оптики выявился еще целый ряд требований, очень важных с точки зрения достижения высоких коэффициентов преобразования. Сюда следует отнести требования больших значений угловой, температурной и спектральной ширин синхронизма, малых потерь, отсутствия фоторефрактив-ного эффекта и нелинейного поглощения, слабого влияния конкурирующих процессов (например, вынужденного комбинационного рассеяния), специальной ориентации и специальной геометрической формы кристаллического образца, неподверженности к появлению центров окраски под действием УФ и более коротковолнового излучений и т. д.
Поскольку современная техника не позволяет синтезировать нелинейные материалы с полным набором требуемых свойств*), то необходимо оптимально выбирать нелинейные кристаллы применительно к конкретному нелинейному оптическому устройству с учетом его режимов и характеристик излучения накачки.
Систематизация и свойства нелинейных кристаллов. Применяемые нелинейные кристаллы можно разбить на две группы; кристаллы, выращиваемые из водных растворов, и кристаллы, выращиваемые из расплавов. Представителем первой группы является кри-
*> Некоторыешаги в этом направлении предпринимаются в области нелинейных органических материалов.
338
Приложение. Нелинейные кристаллы
сталл K.DP, второй — кристалл ниобата лития. Воднорастворимые кристаллы относятся к] мягким^материалам, они гигроскопичны, плохо выдерживают резкие температурные перепады, отличаются относительно, малой нелинейностью. С другой стороны, эти кристаллы характеризуются высоким оптическим качеством на больших апертурах и длинах, легко синтезируются, стойки к лазерному излучению. Кристаллы, выращиваемые из расплавов (высокотемпературные кристаллы), наоборот, тверды, негигроскопичны, хорошо выдерживают резкие изменения температуры, характеризуются высокой нелинейностью. В то же время их оптическое качество заметно уступает качеству воднорастворимых кристаллов, что связано с физикой процесса выращивания; они более подвержены различным наведенным эффектам (типа фоторефрактивного); стойкость их поверхности к лазерному излучению значительно ниже стойкости воднорастворимых кристаллов. Заметим также, что высокотемпературные кристаллы пока не удается выращивать до больших размеров с сохранением приемлемого оптического качества. Область прозрачности воднорастворимых кристаллов, как правило, смещена по направлению к ближнему УФ, а для высокотемпературных кристаллов — по направлению к ближнему И К диапазону.
Конкретные кристаллы из обеих рассматриваемых групп имеют определенные достоинства и недостатки. Так, достоинством является 90-градусный некритический синхронизм, а недостатком большое двулучепреломление в направлении синхронизма. Оптимальный выбор того или иного нелинейного кристалла можно произвести только при комплексном сопоставлении параметров кристалла с режимами лазера основного излучения и характеристиками этого излучения. Свойства и области применения различных нелинейных кристаллов можно рассмотреть, используя данные табл. П.1—П.З, составленных по материалам работ [1—5].
В табл. П.1 приведены для различных кристаллов наименование кристалла, химическая формула, класс симметрии, показатель преломления для обыкновенной волны, область прозрачности, стойкость к лазерному излучению (порог разрушения), нелинейный коэффициент, вычисленный относительно составляющей d3e тензора X кристалла KDP (d36 = 1,13 • 10~9 CGSE), и относительный коэффициент качества (Р1п%. Видно, что наиболее эффективным кристаллом является ниобат бария-натрия; за ним следуют йодат лития, а-йодноватая кислота, ниобат лития, кристаллы группы KDP. Однако выбор того или иного кристалла по коэффициенту качества можно делать лишь в первом приближении. Так, очевидно, что для генерации гармоник излучения с малой плотностью мощности (например, излучения непрерывного лазера) необходимо применять высоконелинейные кристаллы типа ниобата бария -натрия или йо-дата лития. В случае же генерации гармоник излучения мощных импульсных лазеров предпочтительны слабонелинейные, но зато стойкие к излучению кристаллы группы KDP. Более детальные рекомендации могут быть даны при учете свойств кристаллов, представленных в табл. П.2 и П.З.
