Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В отчетный период были выращены монокристаллы LiGaSe_2 (LGSe) оптического качества, из которых изготавливали оптические элементы с заданной ориентировкой: Theta=90, Phi=39. С учетом пропускания полученных образцов модифицировали режимы создания антиотражающих микроструктур (ARM), обеспечивающие максимальное пропускание в диапазоне от 2 до 10 мкм. Поверхность образцов исследовали с помощью сканирующей электронной микроскопии и энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии, а также спектроскопии комбинационного рассеяния (КР). Полученные результаты учитывались при выборе методики очистки поверхности с целью улучшения пропускания. Как было показано ранее, при создании ARM на спектрах пропускания LGSe возникают выраженные полосы поглощения вблизи 3 и 6 мкм, которые объясняются колебаниями связей О-Н. Для снижения указанного поглощения использовали низкотемпературный отжиг образцов с ARM в атмосфере селена. Показано, что такой отжиг позволяет избавиться от полосы поглощения вблизи 3 мкм. Для удаления продуктов воздействия лазерной абляции на вещество кристалла использовали обдув воздухом и азотом. Первоначальные эксперименты показали снижение поглощения на длинах волн 3 мкм и 6 мкм, но на полученный результат в значительной степени влияли внешние условия. Были проведены эксперименты по определению оптической стойкости кристаллов GaSe и LGSe с микроструктурами и без при различных условиях. Для GaSe на длине волны 1573 нм с частотой повторения импульсов 100 Гц, длительностью импульсов 7.9 нс определенные в рамках экспериментов значения порога лазерного повреждения составили: 0.58 Дж∙см^-2 для поверхностного повреждения микроструктуры, 0.78 Дж∙см^-2 для объемного повреждения и 1.20 Дж∙см^-2 для поверхностного повреждения необработанного материала. Для LGSe при длине волны 2.128 мкм (7 нс) (методика «С-на-1») порог пробоя по половинной вероятности можно определить как W_0.5 = 0.37 Дж/см^2 с погрешностью определения плюс-минус (W_1 – W_0)/2 = 0.07 Дж/см^2. Вне микроструктур порог пробоя по половинной вероятности можно определить как W_0.5 = 0.40 Дж/см^2 с погрешностью определения плюс-минус (W_1 – W_0)/2 = 0.09 Дж/см^2. Таким образом, порог пробоя микроструктур кристаллов LGSe оказался так же высок, как для кристаллов LGSe без них. По методике «1-на-1» значения порога лазерного повреждения LGSe на длине волны 1573 нм с частотой повторения импульсов 100 Гц, длительностью импульсов 7.9 нс составляют 0.6 Дж∙см^-2 для чистого LGSe и 0.75 Дж∙см^-2 для просветляющей микроструктуры. Поскольку для GaSe наличие границ слоев на рабочей поверхности апертуры, которое не влияет на эффективность преобразования, но препятствует равномерному нанесению ARM и, как следствие, снижает их антиотражающие свойства, было опробовано 2 подхода к решению данной проблемы: механическая и лазерная обработка поверхности. Установлено, что механическая обработка позволяет избавиться от тонких чешуек на поверхности, но при наличии выраженной границы слоев добиться ровной поверхности с сохранением толщины образца не удается. Были опробованы различные методики полирования кристалла лазерным излучением при различных режимах. Однако, было показано, что обработка фемтосекундными и пикосекундными импульсами является неподходящим методом для устранения границ слоев на поверхности кристалла GaSe. В отчетный период была проведена апробация кристаллов LiGaSe_2 с антиотражающими микроструктурами для нелинейного преобразования лазерного излучения в средний инфракрасный диапазон в схеме двойного параметрического генератора света (1 мкм → 2 мкм → 5-9 мкм). В качестве активного элемента использовали кристалл LGSe апертурой 5×5 мм^2 и длиной 7 мм, вырезанный в направлении Theta = 90°, Phi = 39°. На оба плоскопараллельных полированных торца (5×5 мм^2) были нанесены антиотражающие микроструктуры, увеличивающие пропускание кристалла LGSe до T_lgse = 75 % для сигнальной волны на длинах волн в диапазоне 2714-2418 нм, генерирующейся в параметрическом генераторе света (ПГС), при которой должна происходить однопроходная генерация холостой волны с разностной частотой на длинах волн в диапазоне 4926-8866 нм под действием параметрической накачки на длинах волн в диапазоне 1750-1900 нм, предварительно получаемых при параметрической генерации света в кристалле KTiOPO_4 (KTP) под действием лазерной накачки с исходной длиной волны 1064 нм. В качестве источника лазерной накачки с исходной длиной волны 1064 нм использовали наносекундный YAG:Nd-лазер с электрооптической модуляцией добротности резонатора с энергией импульса излучения 25 мДж и длительностью импульса 10 нс. Поставленная задача – осуществить перестраиваемое двухкаскадное преобразование длины волны лазерного излучения сначала из 1 мкм в 2 мкм в кристалле KTP, а потом из 2 мкм далее в средний инфракрасный диапазон (> 5 мкм) в кристалле LGSe. Для этого предложена оригинальная схема двойного параметрического генератора света на кристаллах KTP и LGSe с единым резонатором, высокодобротным для волны (2714-2418 нм), являющейся сигнальной как в кристалле KTP, так и в кристалле LGSe. Для исследования вклада кристалла LGSe в генерацию сигнальной волны (2504 нм) из схемы он убирался. Было проведено прогностическое моделирование двойного ПГС в программном продукте SNLO. Поскольку программы расчета описывают одиночный преобразователь, то моделирование разбили на два этапа: 1) кристалл KTP – активный, кристалл LGSe – пассивный; 2) кристалл LGSe – активный, кристалл KTP – пассивный. Для активного кристалла учитывались его нелинейно-оптические характеристики и коэффициент пропускания, для пассивного – только коэффициент пропускания. С учетом результатов моделирования было проведено экспериментальное исследование генерации двойного ПГС на кристаллах KTP и LGSe. Под действием лазерной накачки (1064 нм) экспериментально реализована перестраиваемая генерация сигнальной и холостой волн в кристалле KTP в диапазонах перестройки 1766-1900 и 2636-2418 нм. Генерация разностной частоты для этих волн, реализуемая в кристалле LGSe, обеспечивает диапазон длин волн перестраиваемого инфракрасного излучения 5351-8869 нм.