Удвоение и смешение частот излучения лазеров на монооксиде углерода в нелинейных кристаллах ZnGeP2 и GaSe
УДК 621.373.826
УДВОЕНИЕ И СМЕШЕНИЕ ЧАСТОТ ИЗЛУЧЕНИЯ ЛАЗЕРОВ НА МОНООКСИДЕ УГЛЕРОДА В НЕЛИНЕЙНЫХ КРИСТАЛЛАХ ZnGeP2 И GaSe
© 2011 г.
Ю. М. Андреев*, доктор физ.-мат. наук; В. В. Зуев*, доктор физ.-мат. наук; А. А. Ионин**, доктор физ.-мат. наук; И. О. Киняевский**; Ю. М. Климачёв**, канд. физ.-мат. наук; А. Ю. Козлов**; А. А. Котков**, канд. физ.-мат. наук; Г. В. Ланский*, канд. физ.-мат. наук; А. В. Шайдуко*
** Институт мониторинга климатических и экологических систем СО РАН, Томск
** Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, Москва
** Е-mail: umk@sci.lebedev.ru
Экспериментально исследовано удвоение частоты излучения селективных и неселективных лазеров на монооксиде углерода в нелинейных кристаллах ZnGeP2 и GaSe. Получена внутренняя эффективность преобразования частоты до 7% с обогащением спектра преобразованных частот за счет параллельного процесса генерации суммарных частот. Обсуждается возможность создания методами нелинейной кристаллооптики широкодиапазонного источника когерентного излучения среднего инфракрасного и терагерцового диапазонов спектра на основе лазеров на монооксиде углерода.
Ключевые слова: ZnGeP2, GaSe, CO-лазер, генерация второй гармоники, генерация разностных частот.
Коды OCIS: 160.4330, 190.2620
Поступила в редакцию 16.09.2010
Создание широкодиапазонных перестраиваемых источников лазерного излучения представляет большой практический интерес в плане расширения возможностей существующих устройств прикладной спектроскопии. В этой связи особый интерес представляет преобразование частоты высокоэффективных хорошо отработанных в техническом плане лазеров на монооксиде углерода, излучающих в области 4,6–8,2 мкм, коэффициент полезного действия (кпд) которых до 50% [1], и 2,5–4,2 мкм (кпд до 16% [2–4]). Диапазон генерации СО-лазеров может быть значительно расширен как в ближнюю и среднюю инфракрасную (ИК), так и дальнюю ИК области спектра (терагерцовый (ТГц) диапазон) за счет удвоения или суммирования частоты линий излучения СО-лазеров, а также генерации их разностных частот (ГРЧ).
Из большого числа широко используемых в прикладной оптике нелинейных кристаллов потенциально самыми эффективными для преобразования частоты СО-лазеров в пределы среднего ИК [5–9] и ТГц [10–12] диапазонов спектра являются кристаллы ZnGeP2 и GaSe. Слоистые
кристаллы GaSe характеризуются гораздо более широким, чем у ZnGeP2 диапазоном прозрачности при минимальных потерях в ТГц диапазоне среди известных нелинейных кристаллов [12]. Их аномально высокое двулучепреломление (B = 0,35) позволяет получить все разновидности параметрических преобразователей частоты практически во всем диапазоне прозрачности, а вторая по значению (после ZnGeP2) теплопроводность 0,162 Вт/(см K), наряду с рядом других физических свойств, добиться высоких выходных энергетических параметров [13].
В данной работе проведены исследования генерации второй гармоники (ВГ) по I типу трехволновых взаимодействий в кристаллах ZnGeP2 и GaSe при накачке излучением многочастотного импульсно-периодического СО-лазера низкого давления с модуляцией добротности и импульсного селективного электроионизационного (ЭИ) СО-лазера, работающего в режиме активной синхронизации мод, с использованием традиционной оптической блок-схемы.
При работе СО-лазера с модуляцией добротности и средней выходной мощностью 150 мВт
26 “Оптический журнал”, 78, 2, 2011
внешний коэффициент преобразования частоты излучения (отношение выходной мощности к мощности накачки) в кристалле ZnGeP2 длиной 12 мм превысил 1% уровень. Это соответствует почти 2% внутреннему коэффициенту преобразования. При спектре излучения накачки, состоящем примерно из 80 линий излучения в диапазоне длин волн λ = 4,97–6,26 мкм, спектр преобразованного по частоте излучения содержал не менее 110 линий в диапазоне λ = 2,53–2,84 мкм. Его средняя выходная мощность достигла 0,4 мВт при максимальном значении мощности в линии излучения на длине волны 2,6 мкм. Измерение длин волн преобразованного излучения показало, что обогащение спектра произошло из-за параллельно протекающего процесса генерации суммарных частот различных пар линий излучения СОлазера. Спектр преобразованного излучения СО-лазера расширен в сравнении с предшествующей работой [9] в коротковолновую область с 2,65 мкм до 2,53 мкм.
Впервые исследованные энергетические характеристики преобразованного излучения СО-лазеров в кристалле GaSe показали невысокую эффективность преобразования частот этого типа лазеров. Так в кристалле длиной 4 мм внешний коэффициент преобразования излучения составил около 0,15% при средней мощности не выше 0,2 мВт. Сказалось высокое двулучепреломление и обусловленный им эффект сноса взаимодействующих излучений. Повышение эффективности преобразования частоты этого типа СО-лазера возможно за счет использования цилиндрической линзы для увеличения размера пучка накачки в плоскости сноса излучений.
Максимальный внешний коэффициент генерации ВГ импульсного селективного ЭИ СО-лазера, работающего в режиме активной синхронизации мод (длительность пиков излучения до 10 нс [14]), в кристалле ZnGeP2 превысил 3,5%, что соответствует внутреннему коэффициенту около 7%.
Измеренные для диапазона λ=5,0–5,7 мкм внутренние углы фазового синхронизма (ФС) для генерации ВГ в кристалле GaSe приведены на рис. 1 вместе с зависимостями, рассчитанными с использованием широко известных дисперсионных уравнений, приведенных в работах [15, 16]. Установлено, что ошибка измерений углов ФС ±30′ обусловлена в основном точностью начального позиционирования кристалла. Для сравнения с расчетными данными на рис. 1 представлены также экспериментальные значения углов внутреннего ФС, полученные авторами этой работы для генерации ВГ излучения СО2-лазера (λ = 9,3–10,8 мкм), Er3+:YSGG-лазера (λ = 2,79 мкм) и фемтосекундного параметрического генератора бегущей волны “TOPAS-C”, Литва (λ = 2,12–2,9 мкм), наряду с экспериментальными данными других авторов. Из этого рисунка видно, что наблюдается хорошее соответствие расчетных и экспериментальных данных. Это подтверждает выводы работы [20] об адекватности дисперсионных уравнений [15, 16], по крайней мере, в диапазоне длин волн короче 10,8 мкм.
Возможности выполнения условий ФС для преобразования излучения СО-лазера в ТГц диапазон определены с помощью дисперсионных уравнений [15, 16] и модифицированного программного обеспечения [21]. Установлено, что путем ГРЧ различных пар линий обеих по-
внутр, град
20 I, отн. ед. 1
18 0,8
0,6 16
0,4
0,2
14
0 26
30 34 , град
Рис. 1. Расчетные (кривые 1 [15], 2 [16]) и экспериментальные (точки: – данная
работа, – [5], – [16], – [17], – [18],
12 1 2
– [19]) зависимости внутреннего угла ФС (θ) для генерации ВГ в кристалле GaSe. На вставке приведена зависимость выходного
сигнала ВГ от внешней угловой отстройки 10 между лучом накачки и направлением
нормали к поверхности кристалла GaSe
2
4
6
8
10 , мкм
(λ = 5,08 мкм).
“Оптический журнал”, 78, 2, 2011
27
лос излучения СО-лазера возможно перекрытие большой части среднего ИК и ТГц диапазонов спектра (рис. 2). Кривая на рис. 2а отражает зависимость длины волны излучения при ГРЧ между двумя обертонными колебательновращательными переходами, один из которых соответствует длине волны 2,6993 мкм, а второй переход берется из диапазона длин волн 2,7035–2,7557 мкм. Точками отмечены конкретные переходы генерации обертонного СОлазера из указанного диапазона, рассмотренные в качестве источника накачки. Углы ФС для ГРЧ линий излучения основной полосы и обертона в ZnGeP2 лежат в диапазоне от 20–80°, что обеспечивает генерацию ТГц излучения на длинах волн в диапазоне 200–1200 мкм. Аналогично на рис. 2б показана возможность генерации ТГц излучения в чрезвычайно широком
(ов,ые)х, мкм
1600
(а)
2,7054
1400 1200
2,72,27522,017251,872124,97117 2,7085 22,22,,,727,77244,744967330743731411 2,7530
1000 800 600
400
200
0 10 20 30 40 50 60 70 80
внеш., град
5,0010
1200
(б)
1000
5,0115
800
5,05,605559,5054,40530652,0270
600
400
200
0 10 20 30 40 50 60 70 80
внеш., град
Рис. 2. Расчетные зависимости длины волны раз-
ностной частоты от угла ФС для линий обертон-
ной полосы излучения СО-лазера в кристалле
ZnGeP2
(е) вх(1)
=
2,6993
мкм,
(о) вх(2)
[2,7035;
2,7557 мкм] – а, основной полосы в GaSe
(о) вх(1)
=
= 4,9800 мкм,
(е) вх(2)
[5,0010; 5,3215 мкм] – б.
(ов,ые)х, мкм
5555,5,,,,33322120871131295513
диапазоне длин волн путем ГРЧ линий основной полосы излучения СО-лазера в GaSe. Следует отметить, что при соответствующем изготовлении рабочих элементов генерацию всего спектра преобразованных частот можно вызвать в одном образце кристалла ZnGeP2 или GaSe.
Заключение
Исследована генерация второй гармоники неселективного СО-лазера с модулированной добротностью, содержащего 80 линий в основной полосе излучения, в нелинейном кристалле ZnGeP2 и впервые в кристалле GaSe. В спектре преобразованного по частоте излучения из-за параллельно протекающего процесса генерации суммарных частот наблюдалось более 110 изолированных линий излучения в пределах 2,53–2,84 мкм. Максимальная внешняя эффективность коэффициента преобразования частоты составила 1% в кристалле ZnGeP2 и 0,15% в кристалле GaSe. Внутренняя эффективность удвоения частоты излучения импульсного селективного ЭИ СО-лазера, работающего в режиме синхронизации мод в кристалле ZnGeP2, достигала 7%. Для диапазона длин волн менее 10,8 мкм подтверждена адекватность дисперсионных уравнений [14, 15]. Показана возможность получения генерации ТГц излучения в широком диапазоне длин волн.
Авторы выражают благодарность за частичную финансовую поддержку ФЦП ННПИР в рамках ГК № 02.740.11.0444, НШ-4297.2010.2 и Проекта VII.63.3.1 Программы VII.63.3 СО РАН, а также Учебно-научный комплекс ФИАН.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ионин А.А. Лазеры на окиси углерода с накачкой электрическим разрядом. Энциклопедия низкотемпературной плазмы / Под ред. Яковленко С.И. М.: Физматлит, 2005. С. 740–752.
2. Басов Н.Г., Ионин А.А., Котков А.А., Курносов А.К., Маккорд Д.Е., Напартович А.П., Селезнев Л.В., Туркин Н.Г., Хагер Г.Д. Импульсный лазер на первом колебательном обертоне молекулы СО, действующий в спектральном диапазоне 2,5– 4,2 мкм. 1. Многочастотный режим генерации // Квант. электрон. 2000. Т. 30. № 9. С. 771–777.
3. Ионин А.А., Климачев Ю.М., Козлов А.Ю., Котков А.А., Курносов А.К., Напартович А.П., Рулев О.А., Селезнев Л.В., Синицын Д.В., Хагер Г., Шнырев С.Л. Импульсный обертонный СО лазер с КПД 16% // Квант. электрон. 2006. Т. 36. № 12. С. 1153–1154.
28 “Оптический журнал”, 78, 2, 2011
4. Ionin A.A., Kurnosov A.K., Napartovich A.P., Seleznev L.V. Lasers on Overtone Transitions of Carbon Monoxide Molecule // Laser Physics. 2010. V. 20. № 1. P. 144–186.
5. Абдуллаев Г.Б., Кулевский Л.А., Прохоров А.М., Савельев А.Д., Салаев Е.Ю., Смирнов В.В. GaSe – новый эффективный материал для нелинейной оптики // Письма в ЖТФ. 1972. Т. 16. № 3. С. 130–133.
6. Андреев Ю.М., Гейко П.П., Воеводин В.Г., Грибенюков А.И., Белых А.Д., Гурашвили В.А., Изюмов С.В. Удвоение частоты излучения CO лазера с эффективностью 3% // Квант. электрон. 1987. № 4. С. 782–783.
7. Андреев Ю.М., Ведерникова Т.В., Бетин А.А., Воеводин В.Г., Грибенюков А.И., Зырянов О.Я., Ипполитов И.И., Масычев В.И., Митропольский О.В., Новиков В.П., Новиков М.А., Соснин А.В. Преобразование излучения СО2- и СО-лазеров на кристалле ZnGeP2 в область спектра 2,3–3,1 мкм // Квант. электрон. 1985. Т. 12. № 7. С. 1535–1537.
8. Андреев Ю.М., Воеводин В.Г., Грибеников А.И., Новиков В.П. Смешение частот СО2- и СО-лазеров в кристаллах ZnGeP2 // Квант. электрон. 1987. Т. 14. № 6. С. 1177–1178.
9. Андреев Ю.М., Бовдей С.Н., Гейко П.П., Гурашвили В.А., Зуев В.В., Изюмов С.В. Многочастотный лазерный источник диапазона 2,6–3,2 мкм // Оптика атмосферы. 1988. Т. 1. № 4. С. 124–127.
10. Andreev Yu.M., Apollonov V.V., Shakir Yu.A., Verozubova G.A., Gribenyukov A.I. Submillimeter-wave generation with ZnGeP2 crystals // J. Korean Phys. Soc. 1998. V. 33. № 3. P. 320–325.
11. Shi W., Ding Y.J., Schunemann P.G. Coherent terahertz waves based on difference-frequency generation in an annealed zinc-germanium phosphide crystal: improvements on tuning ranges and peak powers // Opt. Commun. 2004. V. 233. P. 183– 189.
12. Lee Yun-Shik. Principle of terahertz science and technology. N. Y.: Springer, 2008. 340 p.
13. Dmitriev V.G., Gurzadyan G.G., Nikogosyan D.N. Handbook for nonlinear crystals. Berlin: Springer, 1999. V. 64. 413 p.
14. Ionin A.A., Klimachev Y.M., Kotkov A.A., Kozlov A.Yu., Seleznev L.V., Sinitsyn D.V. Carbon monoxide laser emitting nanosecond pulses with 10 MHz repetition rate // Opt. Commun. 2009. V. 282. P. 294–299.
15. Vodopyanov K.L., Kulevskii L.A. New dispersion relationships for GaSe in the 0,65–18 μm spectral region // Opt. Commun. 1995. V. 118. P. 375–378.
16. Takaoka E., Kato K. Temperature phase-matching properties for harmonic generation in GaSe // Jap. J. Appl. Phys. 1999. V. 38. P. 2755–2759.
17. Абдуллаев Г.Б., Аллахвердиев К.Р., Карасев М.Е., Конов В.И., Кулевский Л.А., Мустафаев Н.Б., Пашинин П.П., Прохоров А.М., Стародумов Ю.М., Чаплиёв Н.И. Эффективная ГВГ СО2-лазера в кристалле GaSe // Квант. электрон. 1989. Т. 16. № 4. С. 757–763.
18. Das S., Ghosh C., Voevodina O.G., Andreev Yu.M., Sarkisov S.Yu. Modified GaSe crystal as a parametric frequency converter // Appl. Phys. B. 2006. V. 82. P. 43–46.
19. Bhar G.C., Das S., Vodopyanov K.L. Nonlinear optical laser devices using GaSe // Appl. Phys. B. 1995. V. 61. P. 187–190.
20. Zhang H.-Z., Kang Z.-H., Jiang Yu., Gao J.-Yu., Wu F.-G., Feng Z.-S., Andreev Yu.M., Lanskii G.V., Morozov A.N., Sachkova E.I., Sarkisov S.Yu. SHG phase matching in GaSe and mixed GaSe1–xSx, x ≤ 0,412, crystals at room temperature // Opt. Exp. 2008. V. 16. № 13. P. 9951–9957.
21. Ланский Г.В., Шайдуко А.В. NLO – Second Harmonic Generation. V. 1 // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2009611200. 2009.
“Оптический журнал”, 78, 2, 2011
29
УДВОЕНИЕ И СМЕШЕНИЕ ЧАСТОТ ИЗЛУЧЕНИЯ ЛАЗЕРОВ НА МОНООКСИДЕ УГЛЕРОДА В НЕЛИНЕЙНЫХ КРИСТАЛЛАХ ZnGeP2 И GaSe
© 2011 г.
Ю. М. Андреев*, доктор физ.-мат. наук; В. В. Зуев*, доктор физ.-мат. наук; А. А. Ионин**, доктор физ.-мат. наук; И. О. Киняевский**; Ю. М. Климачёв**, канд. физ.-мат. наук; А. Ю. Козлов**; А. А. Котков**, канд. физ.-мат. наук; Г. В. Ланский*, канд. физ.-мат. наук; А. В. Шайдуко*
** Институт мониторинга климатических и экологических систем СО РАН, Томск
** Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, Москва
** Е-mail: umk@sci.lebedev.ru
Экспериментально исследовано удвоение частоты излучения селективных и неселективных лазеров на монооксиде углерода в нелинейных кристаллах ZnGeP2 и GaSe. Получена внутренняя эффективность преобразования частоты до 7% с обогащением спектра преобразованных частот за счет параллельного процесса генерации суммарных частот. Обсуждается возможность создания методами нелинейной кристаллооптики широкодиапазонного источника когерентного излучения среднего инфракрасного и терагерцового диапазонов спектра на основе лазеров на монооксиде углерода.
Ключевые слова: ZnGeP2, GaSe, CO-лазер, генерация второй гармоники, генерация разностных частот.
Коды OCIS: 160.4330, 190.2620
Поступила в редакцию 16.09.2010
Создание широкодиапазонных перестраиваемых источников лазерного излучения представляет большой практический интерес в плане расширения возможностей существующих устройств прикладной спектроскопии. В этой связи особый интерес представляет преобразование частоты высокоэффективных хорошо отработанных в техническом плане лазеров на монооксиде углерода, излучающих в области 4,6–8,2 мкм, коэффициент полезного действия (кпд) которых до 50% [1], и 2,5–4,2 мкм (кпд до 16% [2–4]). Диапазон генерации СО-лазеров может быть значительно расширен как в ближнюю и среднюю инфракрасную (ИК), так и дальнюю ИК области спектра (терагерцовый (ТГц) диапазон) за счет удвоения или суммирования частоты линий излучения СО-лазеров, а также генерации их разностных частот (ГРЧ).
Из большого числа широко используемых в прикладной оптике нелинейных кристаллов потенциально самыми эффективными для преобразования частоты СО-лазеров в пределы среднего ИК [5–9] и ТГц [10–12] диапазонов спектра являются кристаллы ZnGeP2 и GaSe. Слоистые
кристаллы GaSe характеризуются гораздо более широким, чем у ZnGeP2 диапазоном прозрачности при минимальных потерях в ТГц диапазоне среди известных нелинейных кристаллов [12]. Их аномально высокое двулучепреломление (B = 0,35) позволяет получить все разновидности параметрических преобразователей частоты практически во всем диапазоне прозрачности, а вторая по значению (после ZnGeP2) теплопроводность 0,162 Вт/(см K), наряду с рядом других физических свойств, добиться высоких выходных энергетических параметров [13].
В данной работе проведены исследования генерации второй гармоники (ВГ) по I типу трехволновых взаимодействий в кристаллах ZnGeP2 и GaSe при накачке излучением многочастотного импульсно-периодического СО-лазера низкого давления с модуляцией добротности и импульсного селективного электроионизационного (ЭИ) СО-лазера, работающего в режиме активной синхронизации мод, с использованием традиционной оптической блок-схемы.
При работе СО-лазера с модуляцией добротности и средней выходной мощностью 150 мВт
26 “Оптический журнал”, 78, 2, 2011
внешний коэффициент преобразования частоты излучения (отношение выходной мощности к мощности накачки) в кристалле ZnGeP2 длиной 12 мм превысил 1% уровень. Это соответствует почти 2% внутреннему коэффициенту преобразования. При спектре излучения накачки, состоящем примерно из 80 линий излучения в диапазоне длин волн λ = 4,97–6,26 мкм, спектр преобразованного по частоте излучения содержал не менее 110 линий в диапазоне λ = 2,53–2,84 мкм. Его средняя выходная мощность достигла 0,4 мВт при максимальном значении мощности в линии излучения на длине волны 2,6 мкм. Измерение длин волн преобразованного излучения показало, что обогащение спектра произошло из-за параллельно протекающего процесса генерации суммарных частот различных пар линий излучения СОлазера. Спектр преобразованного излучения СО-лазера расширен в сравнении с предшествующей работой [9] в коротковолновую область с 2,65 мкм до 2,53 мкм.
Впервые исследованные энергетические характеристики преобразованного излучения СО-лазеров в кристалле GaSe показали невысокую эффективность преобразования частот этого типа лазеров. Так в кристалле длиной 4 мм внешний коэффициент преобразования излучения составил около 0,15% при средней мощности не выше 0,2 мВт. Сказалось высокое двулучепреломление и обусловленный им эффект сноса взаимодействующих излучений. Повышение эффективности преобразования частоты этого типа СО-лазера возможно за счет использования цилиндрической линзы для увеличения размера пучка накачки в плоскости сноса излучений.
Максимальный внешний коэффициент генерации ВГ импульсного селективного ЭИ СО-лазера, работающего в режиме активной синхронизации мод (длительность пиков излучения до 10 нс [14]), в кристалле ZnGeP2 превысил 3,5%, что соответствует внутреннему коэффициенту около 7%.
Измеренные для диапазона λ=5,0–5,7 мкм внутренние углы фазового синхронизма (ФС) для генерации ВГ в кристалле GaSe приведены на рис. 1 вместе с зависимостями, рассчитанными с использованием широко известных дисперсионных уравнений, приведенных в работах [15, 16]. Установлено, что ошибка измерений углов ФС ±30′ обусловлена в основном точностью начального позиционирования кристалла. Для сравнения с расчетными данными на рис. 1 представлены также экспериментальные значения углов внутреннего ФС, полученные авторами этой работы для генерации ВГ излучения СО2-лазера (λ = 9,3–10,8 мкм), Er3+:YSGG-лазера (λ = 2,79 мкм) и фемтосекундного параметрического генератора бегущей волны “TOPAS-C”, Литва (λ = 2,12–2,9 мкм), наряду с экспериментальными данными других авторов. Из этого рисунка видно, что наблюдается хорошее соответствие расчетных и экспериментальных данных. Это подтверждает выводы работы [20] об адекватности дисперсионных уравнений [15, 16], по крайней мере, в диапазоне длин волн короче 10,8 мкм.
Возможности выполнения условий ФС для преобразования излучения СО-лазера в ТГц диапазон определены с помощью дисперсионных уравнений [15, 16] и модифицированного программного обеспечения [21]. Установлено, что путем ГРЧ различных пар линий обеих по-
внутр, град
20 I, отн. ед. 1
18 0,8
0,6 16
0,4
0,2
14
0 26
30 34 , град
Рис. 1. Расчетные (кривые 1 [15], 2 [16]) и экспериментальные (точки: – данная
работа, – [5], – [16], – [17], – [18],
12 1 2
– [19]) зависимости внутреннего угла ФС (θ) для генерации ВГ в кристалле GaSe. На вставке приведена зависимость выходного
сигнала ВГ от внешней угловой отстройки 10 между лучом накачки и направлением
нормали к поверхности кристалла GaSe
2
4
6
8
10 , мкм
(λ = 5,08 мкм).
“Оптический журнал”, 78, 2, 2011
27
лос излучения СО-лазера возможно перекрытие большой части среднего ИК и ТГц диапазонов спектра (рис. 2). Кривая на рис. 2а отражает зависимость длины волны излучения при ГРЧ между двумя обертонными колебательновращательными переходами, один из которых соответствует длине волны 2,6993 мкм, а второй переход берется из диапазона длин волн 2,7035–2,7557 мкм. Точками отмечены конкретные переходы генерации обертонного СОлазера из указанного диапазона, рассмотренные в качестве источника накачки. Углы ФС для ГРЧ линий излучения основной полосы и обертона в ZnGeP2 лежат в диапазоне от 20–80°, что обеспечивает генерацию ТГц излучения на длинах волн в диапазоне 200–1200 мкм. Аналогично на рис. 2б показана возможность генерации ТГц излучения в чрезвычайно широком
(ов,ые)х, мкм
1600
(а)
2,7054
1400 1200
2,72,27522,017251,872124,97117 2,7085 22,22,,,727,77244,744967330743731411 2,7530
1000 800 600
400
200
0 10 20 30 40 50 60 70 80
внеш., град
5,0010
1200
(б)
1000
5,0115
800
5,05,605559,5054,40530652,0270
600
400
200
0 10 20 30 40 50 60 70 80
внеш., град
Рис. 2. Расчетные зависимости длины волны раз-
ностной частоты от угла ФС для линий обертон-
ной полосы излучения СО-лазера в кристалле
ZnGeP2
(е) вх(1)
=
2,6993
мкм,
(о) вх(2)
[2,7035;
2,7557 мкм] – а, основной полосы в GaSe
(о) вх(1)
=
= 4,9800 мкм,
(е) вх(2)
[5,0010; 5,3215 мкм] – б.
(ов,ые)х, мкм
5555,5,,,,33322120871131295513
диапазоне длин волн путем ГРЧ линий основной полосы излучения СО-лазера в GaSe. Следует отметить, что при соответствующем изготовлении рабочих элементов генерацию всего спектра преобразованных частот можно вызвать в одном образце кристалла ZnGeP2 или GaSe.
Заключение
Исследована генерация второй гармоники неселективного СО-лазера с модулированной добротностью, содержащего 80 линий в основной полосе излучения, в нелинейном кристалле ZnGeP2 и впервые в кристалле GaSe. В спектре преобразованного по частоте излучения из-за параллельно протекающего процесса генерации суммарных частот наблюдалось более 110 изолированных линий излучения в пределах 2,53–2,84 мкм. Максимальная внешняя эффективность коэффициента преобразования частоты составила 1% в кристалле ZnGeP2 и 0,15% в кристалле GaSe. Внутренняя эффективность удвоения частоты излучения импульсного селективного ЭИ СО-лазера, работающего в режиме синхронизации мод в кристалле ZnGeP2, достигала 7%. Для диапазона длин волн менее 10,8 мкм подтверждена адекватность дисперсионных уравнений [14, 15]. Показана возможность получения генерации ТГц излучения в широком диапазоне длин волн.
Авторы выражают благодарность за частичную финансовую поддержку ФЦП ННПИР в рамках ГК № 02.740.11.0444, НШ-4297.2010.2 и Проекта VII.63.3.1 Программы VII.63.3 СО РАН, а также Учебно-научный комплекс ФИАН.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ионин А.А. Лазеры на окиси углерода с накачкой электрическим разрядом. Энциклопедия низкотемпературной плазмы / Под ред. Яковленко С.И. М.: Физматлит, 2005. С. 740–752.
2. Басов Н.Г., Ионин А.А., Котков А.А., Курносов А.К., Маккорд Д.Е., Напартович А.П., Селезнев Л.В., Туркин Н.Г., Хагер Г.Д. Импульсный лазер на первом колебательном обертоне молекулы СО, действующий в спектральном диапазоне 2,5– 4,2 мкм. 1. Многочастотный режим генерации // Квант. электрон. 2000. Т. 30. № 9. С. 771–777.
3. Ионин А.А., Климачев Ю.М., Козлов А.Ю., Котков А.А., Курносов А.К., Напартович А.П., Рулев О.А., Селезнев Л.В., Синицын Д.В., Хагер Г., Шнырев С.Л. Импульсный обертонный СО лазер с КПД 16% // Квант. электрон. 2006. Т. 36. № 12. С. 1153–1154.
28 “Оптический журнал”, 78, 2, 2011
4. Ionin A.A., Kurnosov A.K., Napartovich A.P., Seleznev L.V. Lasers on Overtone Transitions of Carbon Monoxide Molecule // Laser Physics. 2010. V. 20. № 1. P. 144–186.
5. Абдуллаев Г.Б., Кулевский Л.А., Прохоров А.М., Савельев А.Д., Салаев Е.Ю., Смирнов В.В. GaSe – новый эффективный материал для нелинейной оптики // Письма в ЖТФ. 1972. Т. 16. № 3. С. 130–133.
6. Андреев Ю.М., Гейко П.П., Воеводин В.Г., Грибенюков А.И., Белых А.Д., Гурашвили В.А., Изюмов С.В. Удвоение частоты излучения CO лазера с эффективностью 3% // Квант. электрон. 1987. № 4. С. 782–783.
7. Андреев Ю.М., Ведерникова Т.В., Бетин А.А., Воеводин В.Г., Грибенюков А.И., Зырянов О.Я., Ипполитов И.И., Масычев В.И., Митропольский О.В., Новиков В.П., Новиков М.А., Соснин А.В. Преобразование излучения СО2- и СО-лазеров на кристалле ZnGeP2 в область спектра 2,3–3,1 мкм // Квант. электрон. 1985. Т. 12. № 7. С. 1535–1537.
8. Андреев Ю.М., Воеводин В.Г., Грибеников А.И., Новиков В.П. Смешение частот СО2- и СО-лазеров в кристаллах ZnGeP2 // Квант. электрон. 1987. Т. 14. № 6. С. 1177–1178.
9. Андреев Ю.М., Бовдей С.Н., Гейко П.П., Гурашвили В.А., Зуев В.В., Изюмов С.В. Многочастотный лазерный источник диапазона 2,6–3,2 мкм // Оптика атмосферы. 1988. Т. 1. № 4. С. 124–127.
10. Andreev Yu.M., Apollonov V.V., Shakir Yu.A., Verozubova G.A., Gribenyukov A.I. Submillimeter-wave generation with ZnGeP2 crystals // J. Korean Phys. Soc. 1998. V. 33. № 3. P. 320–325.
11. Shi W., Ding Y.J., Schunemann P.G. Coherent terahertz waves based on difference-frequency generation in an annealed zinc-germanium phosphide crystal: improvements on tuning ranges and peak powers // Opt. Commun. 2004. V. 233. P. 183– 189.
12. Lee Yun-Shik. Principle of terahertz science and technology. N. Y.: Springer, 2008. 340 p.
13. Dmitriev V.G., Gurzadyan G.G., Nikogosyan D.N. Handbook for nonlinear crystals. Berlin: Springer, 1999. V. 64. 413 p.
14. Ionin A.A., Klimachev Y.M., Kotkov A.A., Kozlov A.Yu., Seleznev L.V., Sinitsyn D.V. Carbon monoxide laser emitting nanosecond pulses with 10 MHz repetition rate // Opt. Commun. 2009. V. 282. P. 294–299.
15. Vodopyanov K.L., Kulevskii L.A. New dispersion relationships for GaSe in the 0,65–18 μm spectral region // Opt. Commun. 1995. V. 118. P. 375–378.
16. Takaoka E., Kato K. Temperature phase-matching properties for harmonic generation in GaSe // Jap. J. Appl. Phys. 1999. V. 38. P. 2755–2759.
17. Абдуллаев Г.Б., Аллахвердиев К.Р., Карасев М.Е., Конов В.И., Кулевский Л.А., Мустафаев Н.Б., Пашинин П.П., Прохоров А.М., Стародумов Ю.М., Чаплиёв Н.И. Эффективная ГВГ СО2-лазера в кристалле GaSe // Квант. электрон. 1989. Т. 16. № 4. С. 757–763.
18. Das S., Ghosh C., Voevodina O.G., Andreev Yu.M., Sarkisov S.Yu. Modified GaSe crystal as a parametric frequency converter // Appl. Phys. B. 2006. V. 82. P. 43–46.
19. Bhar G.C., Das S., Vodopyanov K.L. Nonlinear optical laser devices using GaSe // Appl. Phys. B. 1995. V. 61. P. 187–190.
20. Zhang H.-Z., Kang Z.-H., Jiang Yu., Gao J.-Yu., Wu F.-G., Feng Z.-S., Andreev Yu.M., Lanskii G.V., Morozov A.N., Sachkova E.I., Sarkisov S.Yu. SHG phase matching in GaSe and mixed GaSe1–xSx, x ≤ 0,412, crystals at room temperature // Opt. Exp. 2008. V. 16. № 13. P. 9951–9957.
21. Ланский Г.В., Шайдуко А.В. NLO – Second Harmonic Generation. V. 1 // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2009611200. 2009.
“Оптический журнал”, 78, 2, 2011
29