Научные сотрудники совместной Лаборатории квантовых оптических технологий Физического факультета Новосибирского государственного университета и Института лазерной физики СО РАН (ИЛФ СО РАН) исследуют нелинейно-оптические свойства нелинейных кристаллов тройных и четверных бариевых халькогенидов BaGa4S7, BaGa4Se7, BaGa2GeS6 и BaGa2GeSе6. Результаты данных исследований могут быть использованы для разработки источников излучения среднего ИК диапазона и газоаналитических систем на их основе. Также они будут важны при проектировании и разработке эффективных параметрических генераторов света, генерирующих перестраиваемое в спектральном диапазоне 3-15 мкм излучение, и лазерных оптико-акустических газоанализаторов на их основе. Эти устройства применяются для измерения концентрации летучих метаболитов в выдыхаемом пациентами воздухе при диагностике бронхо-легочных заболеваний. Внедрение подобных систем в медицинскую практику позволит выявлять эти патологии на ранних стадиях, когда вероятность выздоровления больного еще высока.
— Кристаллы, которые являются объектом наших исследований, впервые были выращены с 2010 по 2016 годы в Кубанском государственном университете и Институте геологии и минералогии СО РАН. По ряду характеристик все четыре исследуемых кристалла зарекомендовали себя как перспективные среды для параметрического преобразования частоты в среднем ИК диапазоне, в частности, по диапазонам пропускания, лучевой стойкости и коэффициентам эффективной нелинейности. Ранее при реализации проектов РНФ мы уже исследовали некоторые свойства этих кристаллов, в том числе лучевую стойкость. Поэтому сейчас мы изучаем их нелинейно-оптические характеристики. Их важно учитывать при разработке устройств преобразования частоты для достижения высоких выходных характеристик: высокой энергии в импульсе и эффективности преобразования в этих кристаллах, — объяснила старший научный сотрудник совместной Лаборатории квантовых оптических технологий НГУ и ИЛФ СО РАН, кандидат физико-математических наук Надежда Костюкова.
Нелинейное поглощение и нелинейное преломление, возникающие в кристаллах при взаимодействии с мощным лазерным излучением, могут приводить к искажению поперечного распределения интенсивности лазерного пучка в кристалле, проявлению эффектов самофокусировки и рассогласованию оптического резонатора. В результате снижается эффективность параметрического преобразования. Поэтому сведения об их величине необходимо учитывать при проектировании оптических схем высокоэффективных перестраиваемых в среднем ИК диапазоне параметрических генераторов света (ПГС), которые широко применяются для решения различных задач. Например, в спектроскопии (в том числе оптико-акустической), газовом анализе (включая медицинскую диагностику), мониторинге окружающей среды и контроле выбросов промышленных предприятий. Эти же источники излучения могут использоваться при исследовании дисперсионных свойств материалов, в лазерной хирургии, а также для проведения различных лабораторных исследований.
— Нам предстояло преодолеть некоторые сложности технического характера. Ранее подобные исследования мы не проводили. Сначала надо было разобраться с технической частью, а также выяснить, какие физические явления лежат в основе исследуемых процессов. Необходимо было учесть много нюансов, подобрать оптимальные параметры экспериментальной установки: необходимую толщину пластинок исследуемых материалов, оптимальную фокусировку, длину подвижки и многое другое. Немало времени ушло и на сопоставление теоретических данных с полученными в ходе исследования результатами. Мы сделали выводы о преобладании термических эффектов в исследуемых образцах при воздействии импульсным излучением с частотами следования импульсов больше 1 кГц и приступили к их детальному изучению, — рассказал младший научный сотрудник совместной Лаборатории квантовых оптических технологий НГУ и ИЛФ СО РАН Евгений Ерушин.
В результате эксперимента ученые обнаружили, что нелинейное поглощение и нелинейное преломление в исследуемом кристалле сильно зависит от средней мощности излучения, которая в нашем случае определяется частотой следования импульсов. При частотах следования импульсов более 1 кГц, тепло между импульсами не успевает рассеяться, материал начинает локально нагреваться, и эффекты нелинейного поглощения и преломления проявляются сильнее. Соответственно, при воздействии излучением с частотой следования импульсов более 1кГц учет указанных эффектов становится еще более важным для построения эффективных оптических устройств и продления их срока службы.
Чтобы ученые смогли провести корректное сравнение характеристик, все четыре кристалла бариевых халькогенидов должны быть исследованы в одинаковых условиях. Многие характеристики сильно зависят от длительности лазерных импульсов. Исследователи решили использовать два лазера, импульсный и непрерывный. В настоящее время кристаллы исследованы при непрерывном излучении и импульсах наносекундной длительности. В ближайшее время будут проведены исследования нелинейно-оптических характеристик кристаллов при воздействии импульсами с пикосекундной длительностью.
—
Результаты нашей работы могут стать хорошим заделом в области современной нелинейной фотоники. Ранее систематические исследования нелинейного поглощения и преломления кристаллов бариевых халькогенидов не проводились, — сказала Надежда Костюкова.
