0631

Рис.1.  Зависимость угла ФС для ГВГ eeo-типа в кристалле ZnGeP2 от длины волны накачки и спектр излучения неселективного COлазера [7].

онных покрытий с высокой оптической стойкостью для кристалла ZnGeP2 [17], что мотивировало нас исследовать подобные кристаллы. Таким образом, целью настоящей работы является экспериментальное сравнительное исследование ГСЧ неселективного СО-лазера с МДР в просветленном и непросветленном образцах кристалла

ZnGeP2.

2. Схема эксперимента

Исследования проводились с помощью криогенного CO-лазера низкого давления с накачкой разрядом постоянного тока, работающего в режиме МДР, ранее использованного нами в подобных экспериментах [7, 8]. Опти­ ческая схема эксперимента представлена на рис.2.

Лазер излучал импульсы длительностью ~0.3 мкс (FWHM)(рис.3,а)счастотойследования~90Гц.Пиковая мощность одиночного импульса варьировалась примерно в пределах 3.3 – 5.5 кВт при средней выходной мощности 90 – 150 мВт. Спектр излучения СО-лазера состоял из ~60 спектральных линий в диапазоне длин волн 5 – 6 мкм (рис.3,б). Для контроля характеристик СО-лазера часть излучения (~6 %) отделялась от основного пучка плоскопараллельной пластиной из BaF2 и направлялась в измеритель мощности OPHIR 3A-SH, а также на фотоде­ тектор PEM-L-3. Основная доля лазерного излучения (~94 %) фокусировалась линзой в кристалл ZnGeP2.

В экспериментах по определению порога оптического разрушения кристалла ZnGeP2 лазерный пучок фокуси-

Рис.2.  Оптическая схема эксперимента:

1 – активная среда СО-лазера; 2 – вращающееся зеркало; 3 – сферическое зеркало резонатора; 4 – выходное зеркало; 5, 7 – плоскопараллельные BaF2-пластины; 6, 12, 14 – сферические зеркала; 8, 15 – измерители мощности; 9 – фотодетектор; 10 – линза; 11 – кристалл ZnGeP2; 13 – спектральный фильтр.

Рис.3.  Осциллограмма (временная форма) (а) и спектр (б) импульса излучения СО-лазера.

ровался линзой с фокусным расстоянием 48 мм на переднюю поверхность образца; в экспериментах по измерению поперечного профиля пучка использовалась линза с фокусным расстоянием 60 мм; в экспериментах по ГСЧ лазерный пучок фокусировался линзой с фокусным расстоянием 85 мм в объем кристалла. Вышедшее из кристалла излучение коллимировалось сферическим зеркалом (радиус кривизны 50 см) и через спектральный фильтр направлялось сферическим зеркалом (радиус кривизны 100 см) на измеритель мощности OPHIR 3A-SH. Спектральный фильтр, изготовленный из ИК кварца, отделял излучение ГСЧ (с длиной волны 2.5 – 3 мкм) от излучения накачки (5 – 6 мкм). Для измерения спектральных характеристик излучения вместо измерителя мощности использовался спектрометр ИКС-31 (на рис.2 не показан).

В ООО «ЛОК» (Томск, Россия) были изготовлены два одинаковых образца кристалла ZnGeP2 размеров 8 ´ 8 ´ 8 мм (см. вставку на рис.4,а), вырезанные под углом q = 47.2°, j = 0°. На один из образцов на рабочие грани были нанесены широкополосные интерференционные просветляющие покрытия: 18 слоев ZnS/YbF3 суммарной толщиной ~3.5 мкм с верхним закрывающим защитным слоем Al2O3 толщиной ~100 нм. Интерференционное покрытие наносилось с использованием напылительной ионнолуче­ вой­ установки Aspira 200 (ИЗОВАК, Беларусь). Расчетный коэффициент отражения от грани кристалла ZnGeP2 с таким покрытием представлен на рис.4,б.

На рис.4,а показано пропускание экспериментального образца кристалла ZnGeP2 с просветляющим покрытием с учетом поглощения и отражения от двух граней кристалла; для сравнения также приведено пропускание

Рис.6.  Зависимости мощности ГСЧ от угла падения излучения СО-лазера (а) и эффективности ГСЧ от средней мощности излучения СО-лазера (б) для кристалла ZnGeP2 с просветляющим покрытием (1) и без него (2).

Максимальная средняя мощность излучения ГСЧ наблюдалась при близком к нормали положении образцов (a » 0.5°). Это положение соответствует углу 47.1° ± 0.1° между оптической осью и волновым вектором. Данный угол соответствует углу ФС для генерации второй гармоники с длиной волны ~5.3 мкм (см. рис.1). Далее при оптимальном положении образцов кристалла ZnGeP2 измерялась эффективность ГСЧ. Характеризующий эффективность коэффициент преобразования KSFG (рис.6,б) определялся как отношение средней мощности излучения ГСЧ на выходе из кристалла к средней мощности излучения CO-лазера PCO. Максимальная эффективность ГСЧ в просветленном образце составила 4.8 %, что в два раза выше, чем в непросветленном кристалле; такая разница объясняется меньшими потерями на френелевское отражение от граней кристалла (см. рис.4,а).

Рис.7.  Спектр ГСЧ СО-лазера при a » 0.5°.

Спектры излучения ГСЧ для просветленного и непросветленного образцов оказались одинаковыми в пределах точности измерений. Спектр ГСЧ при максимальной эффективности преобразования, измеренный со спектральным разрешением l/Dl » 2000, представлен на рис.7. Он насчитывает ~110 линий в интервале длин волн 2.5 – 3.0 мкм, что согласуется с результатами других работ, например, [8 – 11].

4. Заключение

Экспериментально установлено, что порог оптическо­ го повреждения поверхности кристалла ZnGeP2 с широкополосным просветляющим покрытием на базе ZnS/ YbF3 с верхним закрывающим защитным слоем Al2O3 выше, чем у непросветленного образца. Увеличение пропускания кристалла ZnGeP2 примерно с 60 % до 90 % за счет просветляющих покрытий привело к увеличению эффективности широкополосной генерации суммарных частот субмикросекундных импульсов неселективного СО-лазера в два раза, до 4.8 %. При этом спектральные характеристики излучения суммарных частот для просветленного и непросветленного образцов оказались одинаковыми.

Для многопроходных схем, таких как двухпроходная [9] и внутрирезонаторная [10], влияние потерь на отражение от граней кристалла значительно выше, и поэтому для них можно ожидать больший выигрыш в эффективности для просветленного образца ZnGeP2. Более того, использование просветленного образца во внутрирезонаторной схеме позволит управлять спектральными характеристиками преобразованного излучения путем поворота кристалла, что невозможно в случае непросветленного образца из-за высокого френелевского отражения. Также благодаря большему порогу оптического повреждения можно ожидать дополнительный выигрыш в эффективности преобразования и для мощных наносекундных лазерных систем, таких как в [23].

Таким образом, широкополосные оптически стойкие просветляющие покрытия на кристалле ZnGeP2 позволяют существенно повысить эффективность СО-лазерных систем c расширением и обогащением спектра методами нелинейной оптики, что повышает привлекательность таких систем, в том числе для их применения в дистанционном газовом анализе [14].

Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (грант № 22-22-20103) и Администрации Томской области.

1.Bai M., Loh Z., Griffith D.W., Turner D., Eckard R., Edis R., Denmead O.T., Bryant G.W., Paton-Walsh C., Tonini M., McGinn S.M., Chen D. Atmos. Meas. Tech., 15 (11), 3593 (2022).

2.Michaels C.A., Masiello T., Chu P.M. Appl. Spectrosc., 63 (5), 538 (2009).

3.Захаров Н.Г., Захряпа А.В., Козловский В.И., Коростелин Ю.В., Скасырский Я.К., Фролов М.П., Чуваткин Р.С., Юткин И.М.

Квантовая электроника, 49 (7), 641 (2019) [Quantum Electron., 49

(7), 641 (2019)].

4.Яковин М.Д., Чаповский П.Л. Квантовая электроника, 52 (6), 549 (2022) [Quantum Electron., 52 (6), 549 (2022)].

5.Qian C.P., Yao B.Q., Zhao B.R., Liu G.Y., Duan X.M., Dai T.Y., Ju Y.L., Wang Y.Z. Opt. Lett., 44 (3), 715 (2019).

6.Puerta J., Herrmann W., Bourauel G., Urban W. Appl. Phys., 19, 439 (1979).

7.Андреев Ю.М., Ионин А.А., Киняевский И.О., Климачев Ю.М., Козлов А.Ю., Котков А.А., Ланский Г.В., Шайдуко А.В.

Квантовая электроника, 43 (2), 139 (2013) [Quantum Electron., 43

(2), 139 (2013)].

8.Ionin A.A., Kinyaevskiy I.O., Klimachev Y.M., Mozhaeva V.A., Andreev Y.M. Opt. Lett., 43 (13), 3184 (2018).

9.Kinyaevskiy I.O., Klimachev Y.M., Ionin M.V., Sagitova A.M., Zinovev M.M., Ionin A.A. Infrared Phys. Technol., 132, 104740 (2023).

10.Ionin A.A., Kinyaevskiy I.O., Klimachev Y.M., Kotkov A.A., Kozlov A.Y., Sagitova A.M., Sinitsyn D.V., Rulev O.A. Opt. Laser Technol., 148, 107777 (2022).

11.Ионин А.А., Киняевский И.О., Климачев Ю.М., Козлов А.Ю., Котков А.А., Рулев О.А., Сагитова А.М., Селезнев Л.В.,

Синицын Д.В. ЖПС, 89 (4), 443 (2022).

12. Ionin A.A., in Gas Lasers (Boca Raton: CRC Press, 2007,

pp 201 – 237).

13.Ionin A.A., Kinyaevskiy I.O., Klimachev Y.M., Kotkov A.A., Kozlov A.Y. Opt. Lett., 42, 498 (2017).

14.Ionin A.A., Kinyaevskiy I.O., Kotkov A.A., Sinitsyn D.V., Andreev Y.M. Appl. Spectrosc., 76 (12), 1504 (2022).

15.Das S. Opt. Quantum Electron., 51, 70 (2019).

16.Yudin N.N., Antipov O.L., Gribenyukov A.I., Dyomin V.V., Zinoviev M.M., Podzyvalov S.N., Slyunko E.S., Zhuravleva E.V.,

Pfeif A.A., Yudin N.A., Kulesh M.M., Moskvichev E.N. Russ. Phys. J., 64 (11), 2096 (2022).

17.Zinovev M., Yudin N.N., Kinyaevskiy I., Podzyvalov S., Kuznetsov V., Slyunko E., Baalbaki H., Vlasov D. Crystals, 12 (10), 1408 (2022).

18.Барыкин А.А., Давыдов С.В., Дорохов В.П., Захаров В.П.,

Бутузов В.В. Квантовая электроника, 20 (8), 794 (1993) [Quantum Electron.,23,688(1993)].DOI10.1070/QE1993v023n08ABEH003148.

19.Kinyaevskiy I.O., Danilov P.A., Kudryashov S.I., Pakholchuk P.P., Ostrikov S.A., Yudin N.N., Zinovev M.M., Podzyvalov S.N., Andreev Y.M. App. Opt., 62 (1), 16 (2023).

20.Zinovev M., Yudin N.N., Kuznetsov V., Podzyvalov S., Kalsin A., Slyunko E., Lysenko A., Vlasov D., Baalbaki H. Ceramics, 6 (1), 514 (2023).

21.Bharthasaradhi R., Nehru L.C. Phase Transitions, 89 (1), 77 (2016).

22.Nikogosyan D.N. Nonlinear Optical Crystals: A Complete Survey

(Springer Science & Business Media, 2006).

23.Andreev Y.M., Budilova O.V., Ionin A.A., Kinyaevskiy I.O., Klimachev Y.M., Kotkov A.A., Kozlov A.Y. Opt. Lett., 40 (13), 2997 (2015).