Физики из МФТИ и Института радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН предложили новый метод для стабилизации температуры нелинейно-оптических кристаллов, используемых для изменения длины волны лазерного излучения. Предложенный способ контроля температуры позволил увеличить выходную мощность преобразованного излучения лазера, прошедшего через кристалл. Работа опубликована в Optics Letters.
В некоторых лазерах для преобразования света используют нелинейно-оптические кристаллы. Проходя через них, свет меняет частоту, например может генерироваться вторая гармоника — световая волна с удвоенной частотой по сравнению с начальной. Как правило, для эффективного преобразования требуется стабилизация температуры кристалла в узком диапазоне значений. Обычно для этого используется термостат. Но на достаточно высоких уровнях мощности возникает проблема теплового самовоздействия, когда генерируемое внутри кристалла излучение вызывает локальный перегрев, из-за которого эффективность преобразования значительно ухудшается.
Ученые из МФТИ предложили новый способ контроля температуры кристалла — через переменное электрическое поле. Нелинейно-оптические кристаллы имеют пьезоэлектрические свойства, то есть способность деформироваться под влиянием приложенного напряжения. Деформации, в свою очередь, наводят электрический заряд на гранях кристалла. При совпадении частоты внешнего электрического поля с частотой одной из акустических мод кристалла возникает резонансный электрический отклик, при этом частота резонанса обычно линейно зависит от средней температуры кристалла.
Таким образом, представляется возможным судить об изменении средней температуры кристалла по изменению его резонансной частоты. Этот метод оказывается более надежным и быстрым, чем традиционный, когда к кристаллу сбоку подводят температурный датчик: он позволяет определить лишь температуру на поверхности.
Алексей Остапив, аспирант кафедры фотоники МФТИ, рассказывает: «Так как кристалл, как правило, имеет высокий коэффициент поглощения на длине волны генерируемого излучения, кристалл разогревается. Это изменяет условия теплообмена, и могут возникнуть неприятные ситуации, связанные со снижением выходной мощности лазерных источников, снижением стабильности и так далее.
Мы предлагаем новый подход к температурной стабилизации этих оптических кристаллов, который основан на том, что все нелинейно-оптические кристаллы являются пьезоэлектриками и можно радиочастотным полем возбудить в них колебания в радиочастотном диапазоне. Частота этих колебаний зависит от температуры. Таким образом, можно контролировать не температуру, например, внешнего термодатчика, который прислоняется к кристаллу, как это делается обычно, а частоту этих самых колебаний. Соответственно, по изменению частоты можно судить об изменении температуры».
Физики собрали установку, в которой сравнили новый метод контроля температуры с традиционным. Проводилось сравнение зависимостей мощности второй гармоники от температуры кристалла для рассматриваемых способов стабилизации.
Установка состояла из лазера, инфракрасное излучение которого фокусировалось внутри нелинейно-оптического кристалла ниобата лития (PPLN). После прохождения через кристалл формировался луч, содержащий как и изначальное ИК-излучение, так и новую зеленую компоненту с вдвое большей частотой, разделяемые дихроичным зеркалом на выходе. Сверху и снизу кристалла были медные пластины, через которые подавалось тепло для нагрева, поскольку рабочая температура кристалла находится в районе 60–70 градусов Цельсия. Также к пластинам подсоединялись температурные датчики.
Рисунок 1. Сверху изображены графики зависимости мощности второй гармоники при разной максимальной мощности второй гармоники и температуре кристалла при стандартном методе стабилизации (слева) и при новом (справа). Снизу схема экспериментальной установки: инфракрасный свет от лазера LS попадает в кристалл PPLN, откуда выходит два пучка, разделяемых зеркалом M. Сверху и снизу кристалла медные пластины, соединенные с нагревателями (красный), и температурными датчиками TS. Резонансная частота кристалла измеряется генератором Пирса и вместе с показаниями термодатчика передается в цепь обратной связи для подстройки температуры. Источник: Optics Letters
При разных уровнях мощности лазера необходимо подстраивать температуру кристалла так, чтобы мощность второй гармоники была максимальной. При стандартном методе оптимальная температура значительно изменялась при увеличении мощности лазера. В новом радиочастотном методе, наоборот, почти не требовалась подстройка температуры, а мощность второй гармоники практически не падала при проведении длительных измерений.
Ученые планируют проверить метод на других кристаллах и при других преобразованиях света.
«При использовании обычного метода температурной стабилизации мы не можем получить долгосрочную стабильную генерацию второй гармоники выше определенного уровня мощности накачки. При применении предложенного нами метода мы можем эту большую мощность получить. При одной и той же конструкции термостата, просто за счет использования нового способа температурной стабилизации, мы поднимаем порог нежелательных эффектов, связанных с самовоздействием. В дальнейшем мы хотим проверить действенность этой методики на других видах преобразования. В рамках этой конкретной работы есть еще незакрытый вопрос с фиксацией кристалла, то есть чтобы это использовать в приборе, нужно кристалл как-то зафиксировать, но это, к сожалению, испортит добротность резонанса, и с этим нужно как-то бороться», — поделился Кирилл Зотов, аспирант кафедры фотоники МФТИ.
