Наносекундный параметрический генератор света в среднем ИК

УДК 535.015
PASC 42.65.Yj
Д.Б.Колкер1,2,3, Р.В.Пустовалова2, М.К.Старикова1, А.И.Карапузиков2, А.А.Карапузиков3,
О.М.Кузнецов2, Ю.В.Кистенев4
1
Новосибирский государственный технический университет
2
Институт лазерной физики СО РАН
3
4
OOO Специальные технологии
ГОУ ВПО СибГМУ Минздравсоцразвития России
Наносекундный параметрический генератор света в среднем ИКдиапазоне с двухпроходной накачкой
Ключевые слова: газоанализ атмосферы, параметрический осциллятор, нелинейные оптические кристаллы
Аннотация: Создан параметрический генератор света на основе периодических структур MgO:PPLN и PPLN с
двухпроходной накачкой. В качестве источника накачки был использован малогабаритный наносекундный
Nd:YAG лазер в области 1.053 мкм. Длительность импульса накачки составляет 5-7 нс при максимальной
энергии импульса 300 мкДж на частоте 1-7 кГц. Порог генерации составил 8 мкДж в области 3 мкм и 20 мкДж
в области 4.3 мкм. Эффективность преобразования энергии накачки в энергию холостой волны варьировалась
в диапазоне 4-8%.
Введение
В настоящее время большой интерес представляет создание универсальных
когерентных источников инфракрасного излучения. В среднем ИК-диапазоне имеются
характерные полосы поглощения вредных веществ, в том числе взрывчатых и отравляющих.
При создании высокочувствительной аналитической аппаратуры для их регистрации в
качестве интенсивного перестраиваемого источника ИК-излучения могут быть использованы
параметрические генераторы света (ПГС) с накачкой мощным одночастотным лазером в ближнем
ИК диапазоне [3,4].
Использование оксидных кристаллов в качестве нелинейной среды параметрического
генератора света при накачке Nd:YAG лазером позволило перекрыть диапазон от ближнего
ИК диапазона до 4.4 мкм, дальнейшее увеличение диапазона перестройки этих устройств
ограничивается поглощением в среднем ИК-диапазоне [2].
Наносекундный режим является оптимальным при накачке параметрического
генератора света на основе PPLN, поскольку выполняется оптимальное соотношение между
средней мощностью ПГС и диапазоном перестройки в ИК-диапазоне[5].
Данная работа посвящена созданию ПГС с двухпроходной накачкой на периодически
поляризованных структурах из ниобата лития: PPLN-MgO и PPLN. Для обеспечения
надежности работы ПГС использовался монолитный резонатор, выполненный в виде куба с
выбранными полостями для установки соответствующих оптических элементов резонатора
ПГС и кристалла PPLN.
Монолитный резонатор ПГС
Основным требованием при создании ПГС является максимальная эффективность
преобразования при параметрическом взаимодействии, поэтому критерием для разработки
оптической схемы резонатора является создание оптимальной фокусировки в кристалле
PPLN. Было показано теоретически [7] и экспериментально [8], что эффективность
преобразования будет оптимальной при условии, что конфокальный параметр накачки b
внутри кристалла должен быть равен длине кристалла PPLN.
При разработке оптического резонатора нужно учесть два обстоятельства: первое апертура, достаточная для свободного прохождения через кристалл накачки – 0.5 мм (вдоль
z- оси кристалла). При толщине кристалла в 500 мкм, радиус пучка для холостой волны не
может быть более 160 мкм, чтобы не допустить дифракционных потерь, которые приведут к
увеличению порога генерации ПГС. Второе - высокодобротный резонатор для сигнальной
волны должен быть стабильным [9].
Gv
Рис 1. Монолитный резонатор ПГС
Резонатор
ПГС
представляет
собой
монолитную
конструкцию
с
двумя
высокоотражающими зеркалами на сигнальной волне (рис 1). Ввод излучения накачки и
вывод излучения на холостой и сигнальной осуществляются через входное плоское зеркало.
Второе зеркало радиусом кривизны 50 мм было плотным для всех трех длин волн (Ag
ThorLabs). В разработанном нами моноблоке возможна коррекция длины резонатора путем
перемещения цилиндрических держателей во фланцах. Конструкция моноблока позволяет
изменять
конфигурацию
резонатора
(конфокальный,
сферический,
Фабри-Перо
и
полусферический).
Кристалл PPLN располагался на разработанном нами жестком юстируемом
держателе, который обеспечивает настройку позиции кристалла в резонаторе и возможности
перемещения PPLN по всем дорожкам для обеспечения перестройки длины волны ПГС. В
данной конструкции предусмотрена замена юстируемого блока PPLN на другой блок с bulkкристаллами LiGaSe2, LiInSe2 [Petrov] и др. для обеспечения перестройки в длинноволновой
области (в перспективе до 9 мкм). Перестройка по длине волны может быть обеспечена
изменением угла в кристалле.
Расчет пороговых характеристик ПГС
Согласно предложенным в [5, 6] моделям, пороговую плотность энергии накачки и
пороговую мощность накачки ПГС можно рассчитать, используя следующие формулы:
1 1 𝑛𝑝 𝑛𝑠 𝑛𝑖 𝜀0 𝑐 4 2.25 𝑊𝑝2 + 𝑊𝑠2
𝜏
30𝐿𝑐𝑎𝑣
−1
𝐽𝑇 =
𝑐𝑜𝑠ℎ
(
+ 𝛼𝑑 − 𝑙𝑛√𝑅𝑠 )
2
(1 + 𝛾)2
𝑇𝑝 𝐹 2𝜔𝑠 𝜔𝑖 𝑑𝑒𝑓𝑓
𝐿2
𝑊𝑝2
2𝜏𝑐
𝑃𝑡ℎ =
𝛼𝑠 𝛼𝑖 𝑛𝑠 𝑛𝑖 𝑐 4 𝜀0 𝜋
2 𝐿ℎ
̅̅̅̅̅
4𝜔𝑠 𝜔𝑖 𝜔𝑝 𝑑𝑄
𝑚
[5]
где: np, ns, ni – коэффициент преломления кристалла на длине волны накачки, сигнальной и
холостой, соответственно;
s, i – частоты сигнальной и холостой длин волн, соответственно;
Wp, Ws – перетяжки гауссовых пучков для длин волн накачки и сигнальной, соответственно;
 – отношение отраженной к падающей амплитуде поля накачки в кристалле PPLN;
d – потери за один проход для сигнальной длины волны;
s – потери за один проход для сигнальной длины волны, включая потери на выходном
зеркале;
Rs – коэффициент отражения сигнальной длины волны;
Tp – коэффициент пропускания накачки;
 – длительность импульса накачки;
0 – диэлектрическая постоянная вакуума (0=8,8510-12Ф/м);
с – скорость света (с=3108м/c);
deff – эффективная нелинейность;
L – длина кристалла; Lcav – оптическая длина резонатора
̅̅̅̅
ℎ𝑚
– аппретурный коэффициент Бойда-Клеймана (в данной двухпроходной схеме ̅̅̅̅
ℎ𝑚
=0,186)
F – острота резонатора на частоте накачки (в данной двухпроходной схеме F=1.8)
Полусферический резонатор с двухпроходной накачкой
В полусферическом резонаторе с двухпроходной накачкой в качестве входного и
выходного зеркала выступает плоское зеркало со следующими параметрами: HRr (015°,1310-1470±10nm) > 99.9% + Rr (0-15°, 1064nm)<5% + Rr(0-15°, 3.0-6.0µmm)<5%. Второе
зеркало – сферическое, радиус кривизны R=50 мм с серебряным напылением (ThorLabs).
Длительность импульса накачки =5-7 нс (1000-5000 Гц), потери за один проход для
сигнальной волны составляли s=0,04, отношение прошедшей к падающей амплитуде поля
накачки в кристалле =0,1.
Расстояния L1=7 мм и L2=7 мм, а радиус перетяжки – 92 мкм. Длина кристалла PPLN
(deff =14,4 пм/В) – 20 мм. Для расчета были использованы следующие значения
коэффициентов преломления: для кристалла PPLN: np=2,13, ns=2,13, ni=2,35.
В такой конфигурации расчетная пороговая плотность энергии накачки (p=1,053
мкм, s=1,5 мкм и I =3.53 мкм) составила JT=0,024 Дж/см2 при диаметре пучка 0=92 мкм,
пороговая энергия накачки составит 10,6 мкДж.
.
Экспериментальная установка
На рис.2 представлена схема экспериментальной установки ПГС в однорезонаторной
конфигурации с двухпроходной накачкой. В качестве источника накачки был выбран
одномодовый Nd3+:YAG лазер с диодной накачкой (модель DTL-329QT фирмы Lasercompact group). Лазер работает в наносекундном режиме, который осуществляется
акустооптической модуляцией добротности. Максимальная энергия в импульсе на частоте 15 кГц – 300 мкДж, длина волны – 1053 нм.
Резонатор ПГС был образован двумя зеркалами (рис 2): зеркало М1 (Layertec) было
плоским (AR(0°,1064nm)<1.0% + AR(0°, 4.0-6.0µm)<2%, HRr(0-15°,1310-1470±10nm)>99.9%),
другое зеркало M2: R=50 мм (ThorLabs c Ag покрытием). Линза f=200 мм из CaF2
обеспечивала оптимальное согласование излучения накачки и параметров резонатора.
Радиус перетяжки в на зеркале M1 составил 092 мкм. Излучение накачки вводилось через
зеркало М1, излучение на сигнальной и холостой также выводилось через зеркало М 1. В
резонаторе ПГС размещался нагреватель с кристаллом из периодически-поляризованного
кристалла LiNbO4.
Фарадеевский
изолятор
(Avesta)
использовался
в
оптической
схеме
для
предотвращения обратной связи от резонатора ПГС и оптических элементов схемы.
Полуволновая пластинка в комбинации с поляризационным кубом (ThorLabs) обеспечивала
требуемую поляризацию для запуска процесса параметрического преобразования.
M2
M1
Рис 2. Схема экспериментальной установки ПГС. ФИ – Фарадеевский изолятор, М1, М2 – зеркала
резонатора ПГС.
ПГС на основе MgO:PPLN
Кристалл MgO:PPLN (Covesion LTD) состоял из 9 дорожек (27.91, 28.28,28.67, 29.08,
29.52, 29.98, 30.49,31.02 и 31.59 мкм). Нагреватель с кристаллом размещались на
X-
координатном столике, который перемещал структуру относительно пучка накачки. Это
позволило
перестаивать ПГС
в области 2.1-4.3 мкм. На торцы кристалла нанесены
антиотражающие покрытия для накачки R<1,5%@1064 нм, сигнальной – R<1%@1400-1800
нм
и холостой R~6%-3%@2600-4800 нм. Термоконтроллер и нагреватель кристалла
выполняли термостабилизацию PPLN в широком диапазоне температур (30-200 С) с
точностью до 0.1 С.
В процессе параметрического преобразования наблюдались комбинационные частоты
в видимом диапазоне: вторая гармоника от сигнальной волны (в области 699-758 нм),
суммарная частота между удвоенной сигнальной и холостой (в области 600-660 нм). Это
позволило
использовать
коммерческий
лямбдаметр
Angstrom
WS6
с
кремниевой
фотодиодной линейкой для диагностики области перестройки ПГС по длине волны.
Длина волны, мкм (сигнальная)
4,3
4,2
4,1
4,0
3,9
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
Температура, С
Рис 3. Температурные перестроечные характеристики ПГС на дорожках MgO:PPLN. = 27,91;
28,28; 28,67 мкм
По результатам измерения комбинационных частот были построены перестроечные
характеристики ПГС для холостой волны (рис.3). Перестройка показана для трех дорожек
PPLN с = 27,91; 28,28; 28,67 мкм. На рис.5 представлена зависимость энергии холостой
волны от для кристалла MgO:PPLN. При температуре PPLN кристалла 70 С и
фиксированной энергии накачки 112 мкДж мы изменяли позицию кристалла таким образом,
чтобы сравнить энергетические характеристики ПГС на всех 9 дорожках. Было отмечено, что
максимальная эффективность преобразования энергии накачки в сигнальную составила 8%
на дорожке = 27.91 мкм (i = 2.4 мкм). Минимальная эффективность преобразования
зафиксирована
на
дорожке
=31.59мкм
-

3.7%.
Уменьшение
эффективности
преобразования в длинноволновой области связано с началом мультифотонного поглощения
в PPLN структуре. Порог ПГС изменялся в интервале 11-28 мкДж в зависимости от
выбранной дорожки PPLN. Область перестройки холостой волны ПГС варьировалась в
диапазоне 2.1 – 4.3 мкм.
10
9
Энергия, мкДж
8
7
6
5
4
2,4
2,6
2,8
3,0
3,2
3,4
3,6
3,8
4,0
4,2
4,4
Длина холостой волны, мкм
Рис 4. Зависимость энергии холостой волны от длины волны при фиксированной температуре кристалла
(T=700C, энергия накачки – 116 мкДж).
ПГС на основе PPLN (OPO-1 Covesion LTD)
Кристалл PPLN (OPO-1 Covesion LTD) состоял из 9 дорожек (25.00, 25.25, 25.50, 25.75,
26.00,
26.50,
26.75,
27.00
мкм).
Термоконтроллер
и
нагреватель
кристалла
термостабилизировали PPLN в диапазоне 100-200 Сс точностью 0.1 С. Перемещение пучка
накачки по дорожкам и изменение температуры в области 100-200С позволяло осуществить
перестройку по холостой длине волны в области 4.2-4.7 мкм. На торцы кристалла нанесены
антиотражающие покрытия для накачки R<1,5%@1064 нм, сигнальной – R<1%@ 1340-1420
нм и холостой R~6%-3%@ 4200-5100 нм.
По результатам измерения комбинационных частот (вторая гармоника от сигнальной
волны и суммарная частота между второй гармоникой от сигнальной и холостой) на
коммерческом лямбдаметре Angstrom WS-6 нами были построены перестроечные
характеристики ПГС на основе PPLN (OPO-1 Covesion LTD) в диапазоне температур от 163
до 195 С (рис 5), что хорошо согласуется с расчетными кривыми представленными на
www.covesion.com.
B
C
E
G
D
H
F
I
J
4,7
Wavelenght, mkm
4,6
4,5
4,4
4,3
4,2
160
165
170
175
180
185
190
195
o
Temperature, C

Рис 5. Температурные перестроечные характеристики ПГС на основе PPLN (OPO-1)
4,0
3,5
Энергия, мкДж
3,0
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
4,4
4,5
4,6
4,7
4,8
4,9
Длина холостой волны, мкм
Рис 6. Зависимость энергии холостой волны от . PPLN OPO-1 (график правильный!)
На рис 6 представлена зависимость энергии холостой волны для кристалла PPLN OPO1 при фиксированной энергии накачки 112.9 мкДж и температуре PPLN чипа 194.9 С.
Видно, что при перестройке от 4.3 мкм и выше резко уменьшается энергия холостой волны
от 9.3 мкДж до 1 мкДж в области 4.6-4.7 мкм. Резкое уменьшение энергии холостой волны в
области 4.3-4.7 мкм связано с мультифотонным поглощением в кристалле PPLN.
Стоит отметить, что генерация сигнальной частоты и гармоник от сигнальной и
холостой наблюдалась на всех девяти дорожках кристалла и во всем температурном
диапазоне от 100 до 200С. На выходе ПГС-PPLN мы не наблюдали генерации холостой
волны в диапазоне от 4.75 до 5 мкм, поскольку эти длины волн поглощаются в кристалле
PPLN, генерация сигнальной частоты и комбинационных частот наблюдалась.
Порог генерации ПГС на кристалле PPLN OPO-1 составил 36 мкДж в области 4.2 мкм
и 49 мкДж в области 4.7 мкм.
Заключение
Создан источник когерентного инфракрасного излучения на базе параметрического
генератора света
(MgO:PPLN и PPLN) c двухпроходной накачкой наносекундным
малогабаритным Nd:YAG лазером в области 1.053 мкм. Для обеспечения надежности работы
ПГС использовался монолитный резонатор, выполненный в виде куба с выбранными
полостями для установки соответствующих оптических элементов резонатора ПГС и
кристалла PPLN.
ПГС обеспечивает перестройку холостой длины волны (MgO:PPLN) в области 2.1-4.3
мкм и 4.2 - 4.7 мкм. Эффективность преобразования энергии накачки в энергию холостой
волны уменьшается от 8.6 до 3.8 % в диапазоне длин волн от 2 до 4.3 мкм. Для нелинейного
элемента PPLN эффективность преобразования энергии накачки в энергию холостой волны
составила 3.75 – 0.8 % в диапазоне длин волн от 4.2 до 4.7 мкм.
Разработка когерентного широкоперестраиваемого ПГС в ИК-диапазоне позволит
создать на его базе универсальное диагностическое оборудование для применения в широких
областях науки и техники, таких как: газоаналитические оптоаккустические приборы для
диагностики различных заболеваний по выдыхаемым пациентом соединениям (диабет,
туберкулез, бронхиальная астма), а также детектирование следовых количеств взрывчатых и
отравляющих веществ в атмосфере.
Работа была выполнена при финансовой поддержке ФЦПК гк №02.740.11.0083 и
РФФИ 10-02-00422-а.
Литература:
[1]. Kaminskii A. A. Laser crystals and ceramics: recent advances // Laser & Photon., 2007, Rev. 1,
P. 93-177.
[2]. Petrov V., Noack F., Tunchev I., Schunemann P., Zawilski K. The nonlinear coefficient d36 of
CdSiP2 // Proc. SPIE 7197, 2009, 7197-21/1-8.
[3]. Marchev G., Tyazhev A., Vedenyapin V., Kolker D., Yelisseyev А.Nd:YAG pumped
nanosecond optical parametric oscillator based on LiInSe2 with tunability extending from 4.7 to 8.7
μm //Optics Express, 2009, Vol. 17, Issue 16, P. 13441-13446.
[4]. Valentin Petrov, Jean-Jacques Zondy, Olivier Bidault, Ludmila Isaenko, Vitaliy Vedenyapin,
Alexander Yelisseyev, Weidong Chen, Aleksey Tyazhev, Sergei Lobanov, Georgi Marchev, and
Dmitri Kolker, Optical, thermal, electrical, damage, and phase-matching properties of lithium
selenoindate,JOSA B, Vol. 27, Issue 9, pp. 1902-1927 (2010)
[5]. MyersL.E., EckardtR.C., FejerM.M., ByerR.L., BosenbergW.R., PierceJ.W. Quasi-phasematched optical parametric oscillators in bulk periodically poled LiNbO3 // J. Opt. Soc. Am. B,
1995, Vol. 12, No. 11.
[6]. Springer Handbook of lasers and optics / Ed. Frank Trager: Springer Science+Business Media,
LLC New York, 2007. P. 1331.
[7]. Boyd G. D., Kleinman D. A. Parametric interaction of focused Gaussian light beams //Journal
of Applied Physics, 1968, V.39,№8, P.3597-3639.
[8]. Lai B., Wong N. C., ChengL. K., Continuous-wave tunable light source at 1.6 µm by
difference-frequency mixing in CsTiOAsO4, Optics Letters,1995, 20,P.1779.
[9]. Schnatz et al., First Phase-Coherent Frequency Measurement of Visible Radiation
Physical Review Letters 76, 18 (1996).