Исследование оптических и нелинейных свойств кристаллов лангасита

Кристалл лангасита (ЛГС, La 3 Ga 5 SiO 14 ) является известным пьезоэлектрическим и лазерным материалом. Он обладает высокими пьезо-, акусто- и электрооптическими характеристиками. В 1983 г. он был впервые предложен в качестве матрицы для создания лазерно-активных сред [1]. Позднее было установлено, что кристалл ЛГС обладает высокими пьезоэлектрическими параметрами, в три раза выше, чем у кварца [2]. С тех пор ЛГС в основном используется для изготовления объемных и поверхностных акустических датчиков. Современные технологии роста позволяют получать кристаллы ЛГС большого размера и высокого оптического качества, изготавливать на их основе нелинейнооптические элементы.

Развитие технологии роста позволяло получить монокристаллы ЛГС высокого оптического качества, и использовать их для лазерной физики. Кристаллы ЛГС обладают хорошими электрооптическими свойствами и могут использоваться для модуляции добротности резонатора лазера [3]. ЛГС, активированные ионами Nd3+, могут использоваться в качестве активных лазерных сред, в том числе для лазеров с диодной накачкой.

Кристаллическая структура лангасита принадлежит к тригональной системе, пространственная группа P321 . Кристалл ЛГС нецентросимметричный, поэтому в нем может наблюдаться генерация второй гармоники, генерация суммарной и разностной частоты. Активированные кристаллы ЛГС можно использовать для создания лазеров с нелинейным преобразованием частоты в самой лазерной среде.

Для создания лазера с нелинейным преобразованием в синий и ближний УФ спектральные диапазоны необходимо использовать кристаллы прозрачные в этой области. Близость края фундаментального поглощения кристалла может приводить к возникновению заметного двухфотонного поглощения, то есть одновременного поглощения двух фотонов с переходом электронов в зону проводимости. Чтобы оценить вероятность этого процесса необходимо знать значение ширины запрещенной зоны E g в среде. Чем больше будет E g , тем дальше будет прозрачность среды в ближнюю УФ спектральную область.

Целью настоящей работы было исследовать границу фундаментального поглощения в ближней УФ спектральной области в кристалле ЛГС, определить ширину запрещенной зоны E g и измерить квадратичную нелинейную восприимчивость.

Экспериментальные образцы монокристаллов ЛГС были выращены в компании «Фомос-Материалс». Использовались экспериментальные образцы кристаллов длиной 40 мм, 7,8 мм и 200 мкм.

Спектры поглощения измерялись на спектрофотометре Cary 5000. На рис.1 представлен обзорный спектр кристалла ЛГС в видимой и ближней ИК спектральных обла

λ , µ m

Рис. 1. Спектр пропускания кристалла ЛГС при комнатной температуре.

Для исследования границы фундаментального поглощения и измерения ширины запрещенной зоны Eg измерялись спектры поглощения при комнатной температуре и температуре жидкого азота (Т=77К). В последнем случае образец помещался в пенопластовый дюар с кварцевыми световодами, который устанавливался в рабочий канал спектрофотометра.

Согласно [4] вблизи края фундаментального поглощения в области частот ш < Eg/И наблюдается экспоненциальная частотная зависимость коэффициента поглощения а от частоты излучения ю, которая описывается уравнением Урбаха как:

а = а ’ exp ’

- г •(Eg - Ию) k • T

Здесь Eg – ширина запрещенной зоны, T – абсолютная температура образца, k – постоянная Больцмана, И - постоянная Планка, а и у - константы. Видно, что при логарифмическом масштабе по оси Y зависимость будет иметь линейный характер. На рисунке 2 показаны зависимости коэффициента поглощения в кристалле ЛГС для двух температур. При охлаждении кристалла спектр поглощения смещается в УФ область. Согласно уравнению (1) в точке пересечения зависимостей, полученных для разных температур, И ш = Eg , что дает значение Eg. Для кристалла ЛГС оно составило 6,5 эВ, что хорошо согласуется с имеющимися литературными данными по аналогичным кристаллам.

Рис. 2. Спектр поглощения кристалла ЛГС в области фундаментального поглощения

при Т=300 К и Т=77К.

Отсутствие центра симметрии в кристаллах ЛГС позволяет их использовать для генерации второй гармоники (ГВГ). В кристалле ЛГС отсутствует направление фазового синхронизма для ГВГ излучения с длиной волны 1064 нм. Это означает, что интенсивность излучения на удвоенной частоте достигает своего максимума на длине порядка длины когерентности, а затем падает [5]. Для исследования удвоения лазерного излучения с длиной волны 1,064 мкм использовался метод ГВГ в порошках [6]. В этом случае используются порошки с размером зерна меньше длины когерентности. Мы провели сравнение ГВГ в ЛГС и кристаллическом кварце. Эти материалы принадлежат одной кристаллографической группе, поэтому эффективность ГВГ в порошках одинакового размера позволит определить величину квадратичной нелинейной восприимчивости.

В таблице 1 представлены значения показателей преломления П о и П е в кристаллах, рассчитанные по литературным данным, и соответствующие им значения длины когерентности для ГВГ. В экспериментах использовались порошки этих кристаллов с размером зерен меньше 5 мкм, то есть меньше длины когерентности. Контроль размера частиц порошка проводился с помощью оптического микроскопа.

Таблица 1

Рассчитанные длины когерентности для ГВГ излучения с длиной волны 1064 нм в кристаллах ЛГС и кварц и данные по показателям преломления.

Кристалл	п0 (1064 нм)	П е (532 нм)	1когерент , мкм
Кварц [4]	1,535	1,556	12,66
ЛГС [5]	1,877	1,923	5,761

Оптическая схема для исследования ГВГ в порошках подробно описана в [7] и использовала одномодовый одночастотный YAG:Nd лазер, работающий на длине волны 1,064 мкм с частотой следования импульсов 5 Гц. Лазер давал импульсы с энергией около 10 мДж и длительностью 12 нс. Фазовая пластинка λ /2 и призма Глана позволяли плавно изменять энергию импульсов лазерного излучения. Излучение накачки падало на образец почти перпендикулярно. Рассеянное обратно излучение, содержащее ГВГ, собиралось в волоконный световод короткофокусной линзой и направлялось на вход спектрометра Ocean Optics USB4000-UV-VIS.

Зависимости интенсивности ГВГ от падающего излучения для двух образцов ЛГС и кристаллического кварца представлены на рисунке 3. Видно, что зависимости хорошо описываются квадратичной функцией Y = A·X². Коэффициент А пропорционален квадрату квадратичной нелинейной восприимчивости Х 2 в среде. Используя литературные данные Х 2 и d для кварца мы определили величины Х 2 и d для лангасита (табл. 2). Видно, что нелинейная восприимчивость лангасита почти в семь раз выше, чем в кварце.

Таблица 2

Коэффициенты (А) и расчетные относительные значения квадратичной нелинейной восприимчивости в исследованных кристаллах при Т=300 К

Кристалл	χ , m/V	d , m/V
		эксперимент	литература [5]
Кварц	0,66∙10-12	3,3∙10 -13	3,3∙10 –13
ЛГС	4,67∙10-12	23,3∙10 -13	-

Рис. 3. Зависимости интенсивности второй гармоники излучения ( λ =532 нм) от энергии падающего на образец излучения ( λ =1064 нм) для порошков ЛГС и кристаллического кварца.

Таким образом, проведенные исследования показали, что кристалл ЛГС обладает хорошей прозрачностью в синем спектральном диапазоне, вплоть до 250 нм. Большая ширина запрещенной зоны в LGS, равная 6,5 эВ, свидетельствует, что его можно использовать для нелинейного преобразования лазерного излучения в видимой и ближней УФ спектральной области. Кристалл ЛГС обладает высоким значением квадратичной нелинейной восприимчивости χ ⁽²⁾, которое в 7 раз выше, чем в кристаллическом кварце и может быть использован в качестве полифункционального материала для одновременной лазерной генерации и ГВГ в активной лазерной среде.