Нелинейно-оптический элемент на основе монокристалла GaSe с двусторонним просветляющим покрытием для генерации терагерцового излучения

Полезная модель относится к устройствам нелинейной оптики и устройствам для изменения частоты света (МПК G02F1/35; G02F2/02), в частности к оптико-терагерцовым преобразователям [1], а также материалам и оптическим элементам для генерации и детектирования терагерцовых импульсов в схемах импульсной терагерцовой спектроскопии [2-5]. Известны преобразователи частоты фемтосекундных лазерных импульсов в терагерцовый диапазон частот (0,1-10 ТГц) за счет оптического выпрямления [2-5], коллинеарной и неколлинеарной генерации разностных частот на основе кристаллов селенида галлия (GaSe) [6]. Функциональность нелинейно–оптических элементов ограничивается низкой механической твердостью и слоистостью селенида галлия, склонностью формированию пленки собственного окисла на поверхности [7], а также высоким коэффициентом отражения для излучения ближнего ИК диапазона. Высокие коэффициенты отражения приводят к тому, что до 25 % мощности падающего лазерного излучения не проникает в кристалл (отражается от передней грани). В наибольшей степени указанные недостатки нелинейно-оптических элементов на основе GaSe критичны при генерации ультракоротких (100-200 фс) и высокоинтенсивных (до 100 МВ/см) импульсов высокочастотного терагерцового излучения (до 100 ТГц и выше).
Известны устройства (схемы) генераторов терагерцового излучения на кристаллах селенида галлия [3-6]. В таких схемах кристалл не имеет оптического просветления, что понижает КПД преобразователя. На кристалл подается фемтосекундный лазерный импульс с центральной длиной волны 700-850 нм и спектральной шириной 10-120 нм, который проникает в кристалл и наводит в нем волны поляризации, которые переизлучают электромагнитное излучение на комбинационных частотах.
3
4
2
Известны нелинейно–оптические элементы на основе GaSe, в которых пленка просветляющего покрытия выполнена в два слоя из различных материалов – SiN и SiO, обеспечивающих увеличение пропускания излучения на длине волны 810 нм через образец GaSe толщиной 1,3 мм до 93 % и повышение КПД оптико-терагерцового преобразования при оптическом выпрямлении фемтосекундных импульсов с центральной длиной волны вблизи 810 нм на величину до 5% [2] (выбрано прототип). Такая конструкция нелинейно–оптического элемента сложна для изготовления, у неё велики потери вводимого излучения на отражения.
Целью настоящей полезной модели является устранение указанных выше недостатков оптико-терагерцовых преобразователей частоты на основе селенида галлия, а именно: снижение потерь вводимого излучения на отражения; повышение функциональности и долговечности оптического элемента из GaSe за счет защиты поверхности от воздействия атмосферы; упрощение конструкции нелинейно–оптического элемента, повышение функциональности и долговечности устройства и улучшение его основных рабочих характеристик по сравнению с решением, раскрытым в прототипе.
2
Для этого в нелинейно-оптическом элементе для генерации терагерцового излучения на основе монокристалла GaSe, включающем пластину из селенида галлия и просветляющее покрытие, пленки просветляющего покрытия из SiOнанесены на обе стороны пластины GaSe и выполнены однослойными.
При конкретном воплощении для установки в оптические схемы кристалл GaSe с просветляющими покрытиями помещен в металлический (например, алюминиевый) защитный держатель, имеющий основание и защитную крышку с круглой апертурой, а сам элемент выполнен с клеевой защитой торцов кристалла от окисления. Пленки просветляющего покрытия могут быть выполнены толщиной 137 нм.
Поясняющие иллюстрации
2
Фиг. 1. Схематическое изображение нелинейно-оптического элемента для генерации терагерцового излучения. Здесь 1 - кристалл GaSe; 2 - фиксирующие болты; 3 - защитная крышка из алюминия; 4 - защитная шайба из оргстекла; 5 - основание из алюминия; 6 - слой клея; 7 – однослойное просветляющее покрытие (пленка SiO).
Фиг. 2. Схема двустороннего просветляющего покрытия на кристалле GaSe из пленок одинаковой толщины d.
2
GaSe
2
GaSe
GaSe
GaSe
-1
Фиг. 3. Спектры пропускания пластин селенида галлия. a – с однослойным покрытием в виде пленок SiOтолщиной 137 нм с обеих сторон, d= 810 мкм; b – с однослойным покрытием в виде пленок SiOтолщиной 137 нм с обеих сторон, d= 810 мкм, α=0,1 см (расчет); c – без просветляющих пленок (d = 840 мкм).
Фиг. 4. Схема установки импульсной терагерцовой спектроскопии. Здесь 8 – фемтосе-кундный лазер, 9 – зеркало, 10 – линза, 11 - светоделительная пластина; 12 -линия задержки; 13 – призма Волластона, 14 - четвертьволновая пластинка, 15 - параболическое зеркало, 16 – тефлоновый фильтр, 17 - детектор (кристалл ZnTe), 18 – нелинейно-оптический элемент из GaSe, 19 –модулятор, 20 – ослабитель, 21 - балансные фотодиоды.
2
GaSe
2
GaSe
GaSe
Фиг. 5. Спектры импульсов терагерцового излучения, генерированные в кристаллах селенида галлия. d – с однослойным покрытием в виде пленок SiOтолщиной 137 нм с обеих сторон, d= 810 мкм; e – с однослойным покрытием в виде пленок SiOтолщиной 137 нм с обеих сторон, d= 810 мкм (после выдержки в атмосфере в течение 1 месяца); f – без просветляющих пленок (d = 840 мкм). Детектирование осуществлялось в кристалле ZnTe. Преобразовывалось излучение фемтосекундного лазера с центральной длиной волны 800 нм, шириной импульса 10 нм и энергией в импульсе 10 нДж.
2
GaSe
2
GaSe
Фиг. 6. Спектры импульсов терагерцового излучения, генерированные в кристаллах селенида галлия. g – с однослойным покрытием в виде пленок SiO толщиной 137 нм с одной стороны, d=320 мкм; h – с однослойным покрытием в виде пленок SiO толщиной 137 нм с одной стороны, d=320 мкм (после выдержки в атмосфере в течение 1 месяца). Детектирование осуществлялось в кристалле ZnTe. Преобразовывалось излучение фемтосекундного лазера с центральной длиной волны 800 нм, спектральной шириной импульса 10 нм и энергией в импульсе 10 нДж.
В предлагаемой модели задача решается тем, что на кристалл GaSe наносится однослойное двустороннее просветляющее покрытие, а сам кристалл помещается в специальный металлический держатель (фиг. 1). Пластина из GaSe наклеивается на алюминиевую подложку с круглой апертурой. С торцов кристалла, для предотвращения расслоения кристаллической структуры, она покрывается толстым слоем клея. Далее изделие закрывается верхней крышкой с круглой апертурой, которая крепится к подложке с помощью винтов. Между верхней крышкой и подложкой вставляется кольцо из оргстекла.
2
SiO2,
SiO2
SiO2=
GaSe
GaSe
GaSe
2
2
2
Перед помещением в держатель на пластину GaSe наносится однослойное просветляющее покрытие [8] (фиг. 2). Пленка SiOнаносится с помощью магнетронного распыления. Толщина пленки зависит от частоты излучения. Так, для получения максимального просветления на длине волны λ=800 нм при показателе преломления n равном 1,46, она должна составлять d=(λ/4)/n137 нм. Такие пленки наносятся с двух сторон пластины из GaSe. Это увеличивает коэффициент пропускания Т образца, и в то же время служит защитой от окисления поверхности кристалла GaSe. Коэффициенты пропускания T(λ) образцов при толщине d=810 мкм, измеренные и рассчитанные по известным соотношениям [8] T(λ)=(1-(Re(R(λ)))+(Im(R(λ))))exp(-αd),
1
2
1
2
SiO2
SiO2
где R(λ)=(r+r(λ)·exp(-2·i·φ(λ))/(1+r·r(λ)·exp(-2·i·φ(λ)), φ(λ)=2π·n·d/λ,
1
SiO2
SiO2
2
SiO2
GaSe
SiO2
GaSe
r=(1- n)/(1+ n), r(λ)=(n- n(λ))/(n+ n(λ)) показаны на фиг 3. Для образца GaSe толщиной 810 мкм в диапазоне длин волн 750-940 мкм достигнуто значение пропускания на уровне 96-97 %, т.е. на 2-3 % выше, чем для элемента, описанного в полезной модели по прототипу.
При помещении описанного оптического элемента из селенида галлия с просветляющим покрытием в стандартную схему импульсной терагерцовой спектроскопии (Фиг. 4) может быть осуществлена генерация терагерцовых импульсов и записаны их спектральные характеристики. Оптический элемент помещается в схему так, что угол между осью c кристалла GaSe и волновым вектором падающего лазерного импульса составляет 10 градусов [4]. Элемент устанавливают в фокусе параболического зеркала. Лазерный луч фокусируется на поверхность кристалла селенида галлия с помощью линзы так, что диаметр пятна на поверхности кристалла составляет порядка 2 мм, а перетяжка смещена от фокуса последнего ближе к параболическому зеркалу. По сравнению с результатами измерения в аналогичных условиях кристалла GaSe той же толщины, но без просветляющего покрытия, наблюдается увеличение генерируемой мощности терагерцового излучения на 28 % (Фиг. 5). После выдержки данного нелинейно-оптического элемента из GaSe с однослойным двусторонним просветляющим покрытием в течение 1 месяца в условиях открытой среды (влажность воздуха 40-80 %) при проведении повторного измерения в тех же условиях уменьшение сигнала отсутствовало (Фиг. 5). При проведении в целях сравнения аналогичных измерений для образца GaSe с однослойным односторонним покрытием, обнаружено уменьшение сигнала после выдержки образца с незащищенной поверхностью на 9 % (Фиг. 6).
Техническим результатом полезной модели является повышение КПД оптико-терагерцового преобразователя на основе кристалла GaSe на величину до 28 % за счет снижения потерь на отражение излучения фемтосекундного лазера; повышение функциональности и долговечности устройства за счет помещения кристалла GaSe в защитный держатель, а также защиты кристалла GaSe от окисления, что ведет к стабильности его характеристик на протяжении длительного периода времени.
Источники информации
1. Оптико-терагерцовый преобразователь с черенковским излучением. Патент РФ на изобретение № 2574518 от 11.11.2014. Авторы: Бакунов Михаил Иванович, Машкович Евгений Александрович. Патентообладатель: Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского (RU).
2. Нелинейно-оптический элемент на основе монокристалла GaSe с просветляющим покрытием для генерации терагерцового излучения. Патент РФ на полезную модель № 184751 от 18.06.2018. Авторы: Саркисов Сергей Юрьевич, Михайлов Тимофей Андреевич, Березная Светлана Александровна, Коротченко Зоя Владимировна, Редькин Руслан Александрович. Патентообладатель: Томский государственный университет (ТГУ) (RU).
3. C. Kubler et al. Ultrabroadband terahertz pulses: generation and field-resolved detection, Semicond. Science Technol., 2005, V. 27, N 7, S 128.
1−x
x
1−x
x
4. M.M. Nazarov et al. GaSeS and GaSeTe thick crystals for broadband terahertz pulses generation, Appl. Phys. Lett., 2011, V. 99, 081105.
1-x
x
5. S.A. Bereznaya et al. Broadband and narrowband terahertz generation and detection in GaSeS crystals, J. Opt., 2017, V. 19, N 11, 115503.
6. A. Sell et al. Phase-locked generation and field-resolved detection of widely tunable terahertz pulses with amplitudes exceeding 100 MV/cm, Opt. Lett., 2008, V. 33, N 23, 2767.
7. С.И. Драпак и др. Собственный окисел, возникающий на поверхности скола селенида галлия в результате длительного хранения, ФТП, 2008, т. 42, вып. 4, 423.
8. Ершов А.В., Машин А.И. Многослойные оптические покрытия. Проектирование, материалы, особенности технологии получения методом электроннолучевого испарения. Учебно-методический материал по программе повышения квалификации «Новые материалы электроники и оптоэлектроники для информационно-телекоммуникационных систем». Нижний Новгород, 2006, 99 с.