НЕЛИНЕЙНО-ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОРГАНИЧЕСКОГО МОЛЕКУЛЯРНОГО КРИСТАЛЛА ТРИГЛИЦИНСУЛЬФАТ
|
РЕФЕРАТ 3
СОДЕРЖАНИЕ 2
ВВЕДЕНИЕ 3
1. Литературный обзор 7
1.1. Нелинейная оптика 7
1.2. Генерация излучения на новых частотах 8
1.2.1. Нелинейная поляризация 8
1.2.2. Условие фазового синхронизма 9
1.2.3. Генерация второй оптической гармоники 10
1.2.4. Генерация суммарных частот 12
1.3. Комбинационное рассеяние света 15
1.4. Характеризация кристаллов 17
1.4.1. Температура фазовых переходов 17
1.4.2. Структура кристаллов, параметры кристаллической решетки 18
1.4.3. Линейные оптические свойства 19
1.4.4. Методы исследования нелинейного поглощения 24
1.4.5. Оценка лучевой стойкости 29
1.4.6. Оценка эффективности ГВГ в порошках 29
2. Экспериментальная часть 33
2.1. Объект исследования 33
2.2. Экспериментальная техника и методы исследования 34
2.2.1. Физико-химические характеристики кристалла ТГС 34
2.2.2. Исследования нелинейных свойств под действием наносекундного лазера 35
2.2.3. Исследования нелинейных свойств под действием фемтосекундного лазера 39
3. Результаты и обсуждение 43
3.1 Термический анализ 43
3.2. Кристаллическая структура ТГС 44
3.3. Линейные оптические свойства кристалла ТГС 45
3.4. Спектры комбинационного рассеяния 47
3.5. Нестационарное поглощение при нс накачке 49
3.6 ГВГ в порошках кристалла ТГС в порошковом тесте Куртца-Перри 50
3.6.1 ГВГ при накачке нс-излучением 50
3.6.2. При накачке фс-излучения 52
3.7 Нелинейное пропускание и лучевая стойкость 53
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 56
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 57
Приложение 1 62
Приложение 2 70
СОДЕРЖАНИЕ 2
ВВЕДЕНИЕ 3
1. Литературный обзор 7
1.1. Нелинейная оптика 7
1.2. Генерация излучения на новых частотах 8
1.2.1. Нелинейная поляризация 8
1.2.2. Условие фазового синхронизма 9
1.2.3. Генерация второй оптической гармоники 10
1.2.4. Генерация суммарных частот 12
1.3. Комбинационное рассеяние света 15
1.4. Характеризация кристаллов 17
1.4.1. Температура фазовых переходов 17
1.4.2. Структура кристаллов, параметры кристаллической решетки 18
1.4.3. Линейные оптические свойства 19
1.4.4. Методы исследования нелинейного поглощения 24
1.4.5. Оценка лучевой стойкости 29
1.4.6. Оценка эффективности ГВГ в порошках 29
2. Экспериментальная часть 33
2.1. Объект исследования 33
2.2. Экспериментальная техника и методы исследования 34
2.2.1. Физико-химические характеристики кристалла ТГС 34
2.2.2. Исследования нелинейных свойств под действием наносекундного лазера 35
2.2.3. Исследования нелинейных свойств под действием фемтосекундного лазера 39
3. Результаты и обсуждение 43
3.1 Термический анализ 43
3.2. Кристаллическая структура ТГС 44
3.3. Линейные оптические свойства кристалла ТГС 45
3.4. Спектры комбинационного рассеяния 47
3.5. Нестационарное поглощение при нс накачке 49
3.6 ГВГ в порошках кристалла ТГС в порошковом тесте Куртца-Перри 50
3.6.1 ГВГ при накачке нс-излучением 50
3.6.2. При накачке фс-излучения 52
3.7 Нелинейное пропускание и лучевая стойкость 53
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 56
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 57
Приложение 1 62
Приложение 2 70
В связи с широким использованием лазеров, в том числе, лазеров высокой мощности, возрастает интерес к поиску материалов для разных нелинейно-оптических (НЛО) применений. Требуются материалы для управления и преобразования лазерного излучения (ЛИ) методами нелинейной оптики, а также его детектирования. Отдельно можно выделить материалы для защиты от интенсивного ЛИ.
В зависимости от области применения, НЛО материалы должны обладать определёнными функциональными свойствами и структурой. Так для фазосогласованного преобразования частоты за счёт нелинейных эффектов, связанных с поляризацией среды второго порядка, например, генерации второй гармоники (ГВГ), подходят только нецентросимметричные кристаллы, обладающие двулучепреломлением. К нелинейным кристаллам для преобразования частоты также предъявляются требования физической и химической стабильности и оптической прозрачности в используемом диапазоне длин волн. Немаловажно и наличие хотя бы потенциальной возможности выращивания высокочистых объёмных монокристаллов [1]. К важным общим характеристикам всех нелинейных материалов относятся хорошая лучевая стойкость, а так же параметры, влияющие на эксплуатационные качества (гигроскопичность, твёрдость, теплопроводность и др.).
Помимо разработки совершенно новых материалов, сейчас наблюдается тенденция расширения существующих (например, за счёт увеличения спектрального диапазона) и поиска новых применений для уже известных оптических материалов в нелинейной оптике. Перспективность таких исследований связана с тем, что для уже существующих материалов хорошо отработаны технологические процессы их получения и обработки и изучены многие свойства. Таким образом, учитывая все вышесказанное, актуальность данного исследования определяется необходимостью расширения номенклатуры многофункциональных оптических материалов для решения задач нелинейной оптики.
В последние годы в оптических и лазерных технологиях, в т.ч. в нелинейной оптике, проводится все больше исследований материалов на основе органических соединений. Это связано, как с потенциально большим разнообразием таких материалов по сравнению с неорганическими, так и с их уникальными свойствами, например, с высокими коэффициентами нелинейных восприимчивостей различных порядков, отвечающих за мультифотонное поглощение и преобразование частоты излучения. К такому классу материалов относятся объект исследования данной работы - органический молекулярный кристалл на основе триглицинсульфата (ТГС). Монокристалл ТГС - известный эффективный
сегнетоэлектрик, используется в пироэлектрических детекторах низкоинтенсивного излучения широкого спектрального диапазона из-за его высокого пироэлектрического коэффициента и относительно низкой диэлектрической проницаемости. Кристалл ТГС обладает фазовым переходом при температуре Кюри Tc (около 50 °C). При увеличении температуры исходная структура, принадлежащая к полярной пространственной группе P21 (моноклинная сингония, класс 2), переходит в центросимметрчиную форму, относящуюся к пространственной группе P2i/m (класс симметрии 2/m) [2]. А сам кристалл ТГС из
сегнетоэлектрика становится параэлектриком.
Технология роста кристалла ТГС хорошо отработана, а получаемые кристаллы имеет высокое оптическое качество и большие размеры (до десяти см и более). Кристалл прозрачен во всем видимом диапазоне и части ИК области спектра. Возможность нелинейного преобразования частоты кристаллом ТГС была показано на примере ГВГ рубинового лазера в [3], однако определённые нелинейные коэффициенты были невелики. Вместе с тем, в связи с развитием мощных фемтосекундных лазеров и необходимостью детектирования ЛИ в широких диапазонах спектра возрастают перспективы практического использования ТГС.
Цель настоящей работы: знание нелинейно-оптических свойств органического кристалла ТГС при возбуждении нано- и фемтосекундными лазерными импульсами ближнего ИК диапазона спектра и вывод о пригодности применений кристалла ТГС в современных лазерных технологиях.
Достижение указанной цели осуществлялось посредством решения следующих задач:
• Определение кристаллической структуры исследуемого кристалла и его физико-химических характеристик.
• Определение спектральных характеристик в широком диапазоне от УФ до ИК.
• Исследование лучевой стойкости и нелинейного поглощения при возбуждении нано- и фемтосекундными лазерами ближнего ИК диапазона.
• Исследование возможности ГВГ кристалла ТГС в порошках при нано- и фемтосекундном возбуждении.
Для выполнения поставленных задач были использованы следующие методы:
• Рентгенофазовый анализ (РФА), Дифференциальная сканирующая калориметрия (ДСК), и спектроскопия комбинационное рассеяние света (КРС).
• УФ, видимая, и ИК спектроскопия.
• Накачка-зонд (pump-probe), z-сканирования (z-scan) и прямого нелинейного пропускания (NLT).
• Куртц-Перри (К-П, Kurtz-Perry).
Предметом исследования является теория НЛО явлений: преобразование новых световых частот, нелинейное поглощение.
В результате выполнения поставленных в работе задач были сформулированы следующие научные положения, выносимые на защиту:
1. Лазерная стойкость кристалла ТГС: при импульсах длительностью 7 нс на длине волны 1064 нм составляет ~ 1 ГВт/см2, при импульсах длительностью 140 в диапазоне 750-850 нм > 6,8 ГВт/см2.
2. В кристалле ТГС отсутствует выраженное нестационарное поглощение (поглощение из возбуждённых состояний) в спектральном диапазоне 360-600 нм и нелинейное поглощение в диапазоне 680-1080 нм.
3. Согласно порошковому тесту Куртца-Перри, кристалл ТГС при комнатной температуре:
- генерирует вторую гармонику (532 нм) наносекундного излучения Nd:YAG лазера, работающего в моноимпульсном режиме с эффективностью преобразования до 50% по отношению к кристаллу KDP.
- не генерирует вторую гармонику излучения фемтосекундного титан сапфирового лазера (720-1080 нм), работающего при частоте следования импульсов 80 МГц.
Достоверность первого положения определяется совпадением результатов измерений, получаемых разными методами (прямого нелинейного пропускания и z -сканирования) (с погрешностью не более 10 %), и также подтверждается проверкой применяемых установок, исследованием материала с известными характеристиками (GaSe [4]).
Достоверность второго положения: Определяется проверкой использованной
установки метода (pump-probe) исследованием нестационарного поглощения в Антрацене [5] и полиметиновых красителях [6] для которых хорошо известны НЛО характеристики [7] для первой части. А для второй части определяется проверкой использованной установки метода z-сканирования исследованием нелинейного поглощения в полиметиновых красителях [8], для которых хорошо изученное нелинейное поглощение.
Достоверность третьего положения определяется:
- сравнением с результатами измерений стандартного образца KDP, с известными нелинейными коэффициентами второго порядка [9], и совпадением результатов с погрешностью определения интенсивности ГВГ не более 10 %, получаемых по измерениям разными приборами (спектрометр S100 (Solar, Белоруссия) и фотодиод DET100A (Thorlabs)).
- непротиворечивостью с литературными данными [3] о более низкой эффективности ГВГ (в 1,5-4 раза) по отношению к кристаллу KDP для мультидоменного кристалла ТГС при наносекундном возбуждении.
Из вышесказанного, новизна заключаются в:
• Определении лучевой стойкости ТГС при воздействии нано- и фемтосекундных импульсов ближнего ИК диапазона.
• Проверке отсутствия нелинейного поглощения в определённых диапазонах спектра в кристалле ТГС
• Оценке эффективности ГВГ в кристалле ТГС в сравнении со стандартным нелинейнооптическим кристаллом (НК) (KDP).
• Определении условий параметров ЛИ, которое можно преобразовать на ВГ кристаллом ТГС при комнатной температуре.
Получаемые в работе научные положения имеют научную ценность для развития потенциала дальнейшего использования ТГС в нелинейной оптике.
Таким образом, практическая значимость научных положений заключается в том, что они создают основу для рекомендации ТГС в качестве эффективного приёмника ЛИ в широком спектральном диапазоне спектра, а также как преобразователь частот.
Логика работы, достижения цели и решения поставленных задач обусловливает структуру работы, которая имеет следующий вид: введение, три главы, заключение и список литературы. Во введении традиционно обоснована актуальность, определяются объект, предмет, цель и задачи исследования. В первой главе обобщаются теоретические основы нелинейно-оптических явлений, представлены методы исследования линейных и нелинейнооптических свойств порошковых проб и объёмных образцов органического молекулярного кристалла ТГС. Вторая и третья глава посвящены описанию экспериментальных методов, применяемых в магистерской диссертации, а также представлению результатов исследований структуры, спектральных и нелинейно-оптических свойств кристалла ТГС..
В зависимости от области применения, НЛО материалы должны обладать определёнными функциональными свойствами и структурой. Так для фазосогласованного преобразования частоты за счёт нелинейных эффектов, связанных с поляризацией среды второго порядка, например, генерации второй гармоники (ГВГ), подходят только нецентросимметричные кристаллы, обладающие двулучепреломлением. К нелинейным кристаллам для преобразования частоты также предъявляются требования физической и химической стабильности и оптической прозрачности в используемом диапазоне длин волн. Немаловажно и наличие хотя бы потенциальной возможности выращивания высокочистых объёмных монокристаллов [1]. К важным общим характеристикам всех нелинейных материалов относятся хорошая лучевая стойкость, а так же параметры, влияющие на эксплуатационные качества (гигроскопичность, твёрдость, теплопроводность и др.).
Помимо разработки совершенно новых материалов, сейчас наблюдается тенденция расширения существующих (например, за счёт увеличения спектрального диапазона) и поиска новых применений для уже известных оптических материалов в нелинейной оптике. Перспективность таких исследований связана с тем, что для уже существующих материалов хорошо отработаны технологические процессы их получения и обработки и изучены многие свойства. Таким образом, учитывая все вышесказанное, актуальность данного исследования определяется необходимостью расширения номенклатуры многофункциональных оптических материалов для решения задач нелинейной оптики.
В последние годы в оптических и лазерных технологиях, в т.ч. в нелинейной оптике, проводится все больше исследований материалов на основе органических соединений. Это связано, как с потенциально большим разнообразием таких материалов по сравнению с неорганическими, так и с их уникальными свойствами, например, с высокими коэффициентами нелинейных восприимчивостей различных порядков, отвечающих за мультифотонное поглощение и преобразование частоты излучения. К такому классу материалов относятся объект исследования данной работы - органический молекулярный кристалл на основе триглицинсульфата (ТГС). Монокристалл ТГС - известный эффективный
сегнетоэлектрик, используется в пироэлектрических детекторах низкоинтенсивного излучения широкого спектрального диапазона из-за его высокого пироэлектрического коэффициента и относительно низкой диэлектрической проницаемости. Кристалл ТГС обладает фазовым переходом при температуре Кюри Tc (около 50 °C). При увеличении температуры исходная структура, принадлежащая к полярной пространственной группе P21 (моноклинная сингония, класс 2), переходит в центросимметрчиную форму, относящуюся к пространственной группе P2i/m (класс симметрии 2/m) [2]. А сам кристалл ТГС из
сегнетоэлектрика становится параэлектриком.
Технология роста кристалла ТГС хорошо отработана, а получаемые кристаллы имеет высокое оптическое качество и большие размеры (до десяти см и более). Кристалл прозрачен во всем видимом диапазоне и части ИК области спектра. Возможность нелинейного преобразования частоты кристаллом ТГС была показано на примере ГВГ рубинового лазера в [3], однако определённые нелинейные коэффициенты были невелики. Вместе с тем, в связи с развитием мощных фемтосекундных лазеров и необходимостью детектирования ЛИ в широких диапазонах спектра возрастают перспективы практического использования ТГС.
Цель настоящей работы: знание нелинейно-оптических свойств органического кристалла ТГС при возбуждении нано- и фемтосекундными лазерными импульсами ближнего ИК диапазона спектра и вывод о пригодности применений кристалла ТГС в современных лазерных технологиях.
Достижение указанной цели осуществлялось посредством решения следующих задач:
• Определение кристаллической структуры исследуемого кристалла и его физико-химических характеристик.
• Определение спектральных характеристик в широком диапазоне от УФ до ИК.
• Исследование лучевой стойкости и нелинейного поглощения при возбуждении нано- и фемтосекундными лазерами ближнего ИК диапазона.
• Исследование возможности ГВГ кристалла ТГС в порошках при нано- и фемтосекундном возбуждении.
Для выполнения поставленных задач были использованы следующие методы:
• Рентгенофазовый анализ (РФА), Дифференциальная сканирующая калориметрия (ДСК), и спектроскопия комбинационное рассеяние света (КРС).
• УФ, видимая, и ИК спектроскопия.
• Накачка-зонд (pump-probe), z-сканирования (z-scan) и прямого нелинейного пропускания (NLT).
• Куртц-Перри (К-П, Kurtz-Perry).
Предметом исследования является теория НЛО явлений: преобразование новых световых частот, нелинейное поглощение.
В результате выполнения поставленных в работе задач были сформулированы следующие научные положения, выносимые на защиту:
1. Лазерная стойкость кристалла ТГС: при импульсах длительностью 7 нс на длине волны 1064 нм составляет ~ 1 ГВт/см2, при импульсах длительностью 140 в диапазоне 750-850 нм > 6,8 ГВт/см2.
2. В кристалле ТГС отсутствует выраженное нестационарное поглощение (поглощение из возбуждённых состояний) в спектральном диапазоне 360-600 нм и нелинейное поглощение в диапазоне 680-1080 нм.
3. Согласно порошковому тесту Куртца-Перри, кристалл ТГС при комнатной температуре:
- генерирует вторую гармонику (532 нм) наносекундного излучения Nd:YAG лазера, работающего в моноимпульсном режиме с эффективностью преобразования до 50% по отношению к кристаллу KDP.
- не генерирует вторую гармонику излучения фемтосекундного титан сапфирового лазера (720-1080 нм), работающего при частоте следования импульсов 80 МГц.
Достоверность первого положения определяется совпадением результатов измерений, получаемых разными методами (прямого нелинейного пропускания и z -сканирования) (с погрешностью не более 10 %), и также подтверждается проверкой применяемых установок, исследованием материала с известными характеристиками (GaSe [4]).
Достоверность второго положения: Определяется проверкой использованной
установки метода (pump-probe) исследованием нестационарного поглощения в Антрацене [5] и полиметиновых красителях [6] для которых хорошо известны НЛО характеристики [7] для первой части. А для второй части определяется проверкой использованной установки метода z-сканирования исследованием нелинейного поглощения в полиметиновых красителях [8], для которых хорошо изученное нелинейное поглощение.
Достоверность третьего положения определяется:
- сравнением с результатами измерений стандартного образца KDP, с известными нелинейными коэффициентами второго порядка [9], и совпадением результатов с погрешностью определения интенсивности ГВГ не более 10 %, получаемых по измерениям разными приборами (спектрометр S100 (Solar, Белоруссия) и фотодиод DET100A (Thorlabs)).
- непротиворечивостью с литературными данными [3] о более низкой эффективности ГВГ (в 1,5-4 раза) по отношению к кристаллу KDP для мультидоменного кристалла ТГС при наносекундном возбуждении.
Из вышесказанного, новизна заключаются в:
• Определении лучевой стойкости ТГС при воздействии нано- и фемтосекундных импульсов ближнего ИК диапазона.
• Проверке отсутствия нелинейного поглощения в определённых диапазонах спектра в кристалле ТГС
• Оценке эффективности ГВГ в кристалле ТГС в сравнении со стандартным нелинейнооптическим кристаллом (НК) (KDP).
• Определении условий параметров ЛИ, которое можно преобразовать на ВГ кристаллом ТГС при комнатной температуре.
Получаемые в работе научные положения имеют научную ценность для развития потенциала дальнейшего использования ТГС в нелинейной оптике.
Таким образом, практическая значимость научных положений заключается в том, что они создают основу для рекомендации ТГС в качестве эффективного приёмника ЛИ в широком спектральном диапазоне спектра, а также как преобразователь частот.
Логика работы, достижения цели и решения поставленных задач обусловливает структуру работы, которая имеет следующий вид: введение, три главы, заключение и список литературы. Во введении традиционно обоснована актуальность, определяются объект, предмет, цель и задачи исследования. В первой главе обобщаются теоретические основы нелинейно-оптических явлений, представлены методы исследования линейных и нелинейнооптических свойств порошковых проб и объёмных образцов органического молекулярного кристалла ТГС. Вторая и третья глава посвящены описанию экспериментальных методов, применяемых в магистерской диссертации, а также представлению результатов исследований структуры, спектральных и нелинейно-оптических свойств кристалла ТГС..
В результате данной работы были исследованы НЛО свойства органического кристалла ТГС при возбуждении нано- и фемтосекундными лазерными импульсами ближнего ИК диапазона спектра и на основании полученных результатов сделана оценка о возможных путях практического использования кристалла ТГС в современных лазерных технологиях.
Запланированные в работе задачи решены полностью.
• Проведена характеризация кристалла, определена его кристаллическая структура при комнатной температуре, точка фазового перехода в центросимметричное состояние.
• Изучены спектры поглощения в широком диапазоне от УФ до ИК, определена ширина запрещенной зоны и области прозрачности материала.
• Определена лучевая стойкость и исследовано нелинейное поглощение при возбуждении излучением наносекундного Nd:YAG лазера (1064 нм) и перестраиваемого фемтосекундного титан-сапфирового лазера (720-1080 нм).
• Исследована возможность ГВГ кристалла ТГС в порошках методом К-П при нано- и фемтосекундном возбуждении. Получена ГВГ при наносекундном возбуждении, показано и объяснено отсутствие ГВГ в кристалле при частотном фемтосекундном возбуждении.
Полученные результаты показывают, что кристалл ТГС за счёт высокой лучевой стойкости и наличия нелинейности второго порядка может использоваться для преобразования частот (ГВГ), однако эффективность такого процесса невелика, т.к. при комнатной температуре кристалл находится вблизи фазового перехода в центросимметричное состояние. Поэтому перспективны дальнейшие исследования нелинейно-оптических свойств данного кристалла при охлаждении. Кроме того, кристалл ТГС может быть использован в широком спектральном диапазоне, как эффективный пироэлектрический приёмник ЛИ.
Список конференций, основанных на результатах работы, представлен в приложении 2.
Запланированные в работе задачи решены полностью.
• Проведена характеризация кристалла, определена его кристаллическая структура при комнатной температуре, точка фазового перехода в центросимметричное состояние.
• Изучены спектры поглощения в широком диапазоне от УФ до ИК, определена ширина запрещенной зоны и области прозрачности материала.
• Определена лучевая стойкость и исследовано нелинейное поглощение при возбуждении излучением наносекундного Nd:YAG лазера (1064 нм) и перестраиваемого фемтосекундного титан-сапфирового лазера (720-1080 нм).
• Исследована возможность ГВГ кристалла ТГС в порошках методом К-П при нано- и фемтосекундном возбуждении. Получена ГВГ при наносекундном возбуждении, показано и объяснено отсутствие ГВГ в кристалле при частотном фемтосекундном возбуждении.
Полученные результаты показывают, что кристалл ТГС за счёт высокой лучевой стойкости и наличия нелинейности второго порядка может использоваться для преобразования частот (ГВГ), однако эффективность такого процесса невелика, т.к. при комнатной температуре кристалл находится вблизи фазового перехода в центросимметричное состояние. Поэтому перспективны дальнейшие исследования нелинейно-оптических свойств данного кристалла при охлаждении. Кроме того, кристалл ТГС может быть использован в широком спектральном диапазоне, как эффективный пироэлектрический приёмник ЛИ.
Список конференций, основанных на результатах работы, представлен в приложении 2.
