РЕФЕРАТ 3
ВВЕДЕНИЕ 5
1 Обзорная часть 7
1.1 История исследования свойств кристаллов типа GaSe 7
1.2 Элементы оптики полупроводников 15
1.3 Генерация разностной частоты в нелинейном кристалле 16
1.4 Методы исследования нелинейного поглощения 18
1.4.1 Метод Z-сканирования 18
1.4.2 Метод прямого нелинейного пропускания 20
2 Материалы и методы 21
2.1 Исследуемые кристаллы 21
2.2 Схемы используемых установок 24
2.2.1 Исследование прямого нелинейного пропускания 24
2.2.2 Установка для Z-сканирование с закрытой диафрагмой 25
3 Результаты и их обсуждение 28
3.1 Нелинейное поглощение кристаллов при возбуждении Nd:YAG лазером 28
3.2 Нелинейное поглощение кристаллов при возбуждении фемтосекундным излучением 29
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 35
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
Первые исследования, посвящённые нелинейным оптическим процессам в кристаллах, были выполнены практически сразу после открытия лазеров. В 1961 году была выполнена экспериментальная работа по генерации второй гармоники излучения рубинового лазера в кристалле кварца. Данная работа показала перспективность применения оптических кристаллов для преобразования света и дала начало двум новым направлениям в физике: нелинейной спектроскопии и прикладной нелинейной оптике [ 1 ]
За более чем 50 лет исследований, нелинейная оптика стала основной для работ многих учёных. Эффекты, которые наблюдались в лабораторных условиях, например, генерация второй (ГВГ) и высших гармоник, параметрическая генерация света (НГС), нелинейное ограничение интенсивности света (оптическое лимитирование) теперь активно применяются для решения различных практических задач.
Кристалл селенида галлия (GaSe) в данный момент активно применяется для преобразования света в среднюю ИК и ТГц область (в составе ТГц спектрометров) и является одним из наиболее эффективных нелинейных материалов для данного спектрального диапазона.
Первое исследования данного кристалла, как эффективного материала для нелинейной оптики было опубликовано в СССР в 1972 году в работе [2], а к 2008 году, как утверждается в работе [3], было опубликовано более 1700 статей, касающихся исследования свойств кристалла GaSe, его применения и способов его модификации.
Важно отметить, что существуют ограничения в применении данного кристалла в «полевых» условиях, связанные с устойчивостью GaSe к механическим воздействиям. Твёрдость чистого кристалла по Виккерсу составляет всего 8 кг/мм2 [4], что соответствует его относительной твёрдости по шкале Мооса ~ 0 [5].
Данный недостаток кристаллов GaSe может быть частично нивелирован выращиванием не чистых, а легированных кристаллов. Например, в работе [6], легирование кристалла GaSe алюминием c массовой долей всего 2% в 2,5 раза увеличило твёрдость кристалла.
Легирование различными элементами не только влияет на механические свойства кристаллов, но также на его линейные и нелинейные оптические свойства. В последние 10 лет в серии работ различных авторов было показано, что легирование кристаллов является эффективным инструментом, определяющим диапазон частотного преобразования ПГС.
Исследование нелинейного поглощения, в частности, определения коэффициента двухфотонного поглощения критически важно, так как проявление этого эффекта при возбуждении кристалла интенсивным излучением снижает эффективность преобразования, а также может привести к его необратимому повреждению [7].
Отдельно исследованию нелинейного поглощения в кристалле GaSe с 2006 года было посвящено несколько работ. Так, определению оптимальной мощности излучения для параметрической генерации частоты (ПГЧ), при которых двухфотонные процессы не влияют на кристалл, посвящена работа [8].
Сведения о кристалле GaSe, включая углы синхронизма, лучевую стойкость при накачке различным излучением, группу симметрии для различных модификаций и другие свойства можно найти в справочнике [9], однако, стоит отметить, что данный справочник был издан в 1999 году и за прошедшее время появилось множество исследований в данной области, представляющих большой интерес.
Целью данной работы являлось исследование влияния степени легирования кристалла GaSe серой на нелинейное поглощение при возбуждении мощным лазерным излучением нано- и фемтосекундной длительности.
В ходе работы были решены следующие задачи:
1) Ознакомление с литературой по вопросам: свойства кристалла (в частности, линейное и нелинейное поглощение) GaSe и его применение, генерация разностной частоты в кристаллах типа GaSe, методы исследования нелинейного поглощения (Z-сканирование и прямое нелинейное пропускание).
2) Освоение экспериментальных методов исследования нелинейного поглощения применительно к полупроводниковым кристаллам: Z-сканирования с открытой диафрагмой и прямого нелинейного пропускания.
3) Экспериментальное определение коэффициента нелинейного поглощения в двухфотонном приближении для ряда кристаллов GaSei-xSx (x = 0 + 0,439) при возбуждении кристаллов фемтосекундным перестраиваемым излучением титан-сапфирового лазера в диапазоне 680-1080 нм.
4) Определение зависимости порога лучевой стойкости методом прямого нелинейного пропускания от степени легирования кристалла селенида галлия серой на длине волны 1064 нм.
5) Соотнесение спектров двухфотонного поглощения (ДФП) и линейного поглощения кристаллов GaSe1-xSx (x = 0 + 0,439).
Таким образом, в ходе данной работы были изучены особенности полупроводниковых кристаллов ИК диапазона на основе селенида галлия, как эффективных кристаллов для нелинейной оптики. Освоено два экспериментальных метода исследования нелинейного поглощения кристаллов типа GaSe. Исследовано нелинейное поглощение кристаллов: GaSe и GaSe:S (от 1,5 до 11 масс. %) под действием нано- и фемтосекундного излучения ближнего ИК диапазона.
Основные результаты:
1) Установлено, что кристаллы имеют существенное различие в лучевой стойкости для нано- и фемтосекундного возбуждения. Так для 8 нс импульса лучевая стойкость составляет 35-50 МВт/см2, а для 140 фс - более 1 ГВт/ см2. Для легированных GaSe:S
(2-4 масс. %) лучевая стойкость увеличивается за счёт повышения оптического качества у выращиваемых легированных кристаллов.
2) Исследование нелинейного поглощения при фемтосекундном возбуждении позволило установить, что легирование серой приводит:
а) к сдвигу коротковолновой границы интенсивного нелинейного поглощения, связанного с примесными центрами и ступенчатыми процессами с 780 нм до короче, чем 680 нм;
б) к уменьшению коэффициента ДФП при оптимальных уровнях легирования серой за счёт увеличения оптического качества кристалла;
в) к сдвигу длинноволновой границы уменьшения коэффициента ДФП с 1010 до 930 нм при легировании до 4 масс. %.
Полученные результаты говорят о перспективности легирования кристаллов GaSe серой до уровня 2-4 масс. % для снижения паразитного процесса нелинейного поглощения и повышения лучевой стойкости, что позволяет, с одной стороны использовать более коротковолновую накачку, а с другой большие плотности для повышения эффективности генерации разностных частот в этих кристаллах.
