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

Полезная модель относится к устройствам нелинейной оптики и устройствам для изменения частоты света, в частности к оптико-терагерцовым преобразователям, основанным на эффекте оптического выпрямления фемтосекундных лазерных импульсов [1], а также материалам и оптическим элементам для генерации и детектирования терагерцовых импульсов в стандартных схемах терагерцовой спектроскопии [2].
Известны преобразователи частоты фемтосекундных лазерных импульсов в терагерцовый диапазон частот (0,1-10 ТГц) на основе кристаллов селенида галлия (GaSe) за счет оптического выпрямления и генерации разностных частот [2-4]. Их функциональность ограничивается низкой механической твердостью и слоистостью селенида галлия, а также высоким коэффициентом отражения для излучения ближнего ИК диапазона. Низкие механические свойства и слоистая структура затрудняют установку кристаллов GaSe в оптические схемы и приводят к деградации материала в процессе эксплуатации. Высокие коэффициенты отражения приводят к потере до 25 % мощности падающего излучения на отражение.
Известны нелинейно-оптические элементы на основе GaSe для генерации терагерцового излучения [2-4]. На элемент 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. Волны поляризации переизлучают электромагнитное излучение на комбинационных частотах. При генерации разностных частот между спектральными компонентами фемтосекундного лазерного импульса происходит генерация излучения на терагерцовых частотах, существенно меньших (на 1-3 порядка) частоты исходного лазерного излучения. Однако известные нелинейно-оптические элементы не имеют оптического просветления, что понижает КПД преобразователя частоты.
2
2
Известен нелинейно-оптический элемент на основе монокристалла GaSe с просветляющим покрытием для генерации перестраиваемого ИК излучения [5] с накачкой двумя лазерами на длинах волн вблизи 1,6 мкм [6]. В данном устройстве в качестве однослойного просветляющего покрытия применяется пленка SiO. Однако эта пленка со временем растрескивается и деградирует. Это связано с низкой адгезией SiOк поверхности селенида галлия.
Целью настоящей полезной модели является устранение недостатков известных оптико-терагерцовых преобразователей частоты на основе селенида галлия, то есть снижение потерь преобразуемого по частоте лазерного излучения на отражение и повышение долговечности оптического элемента из GaSe при установке в оптические схемы.
2
2
3
4
3
4
Заявленный технический результат достигается за счет использования двуслойного покрытия, укрепления торцов кристалла и использования металлического держателя. Повышение КПД преобразователя обеспечивается полным гашением отраженной волны, т.е. отсутствием потерь на отражение на границах воздух-SiO, SiO-SiNи SiN-GaSe при заданной толщине пленок.
2
3
4
В предлагаемой модели на кристалл GaSe нанесено комбинированное двуслойное просветляющее покрытие SiO/SiN, а сам кристалл помещен в металлический держатель (Фиг. 1). Для предотвращения расслоения кристаллической структуры торцы кристалла покрывают слоем клеящего вещества. Пластина из GaSe крепится на металлическую подложку с круглой апертурой. Далее кристалл закрывают верхней крышкой с круглой апертурой и закрепляют ее на подложке, например, с помощью винтов. Между верхней крышкой и подложкой может быть установлена проставка, например, кольцо из оргстекла. В результате кристалл селенида галлия оказывается жестко закрепленным в металлической оправке, что совместно с клеящим веществом защищает кристалл от изгиба поверхности и расслаивания в процессе эксплуатации. Такие нелинейно-оптическ6ие элементы являются самостоятельным изделием и могут устанавливаться в стандартные держатели, используемые в оптических лабораториях.
2
3
4
На Фиг. 1 дано схематическое изображение нелинейно-оптического элемента. Цифрами обозначены: 1 - кристалл GaSe; 2 - фиксирующие болты; 3 - защитная крышка из алюминия; 4 - кольцо из оргстекла; 5 - основание из алюминия; 6 - слой клеящего вещества; 7 - двуслойное просветляющее покрытие SiO/SiN
2
3
4
На Фиг. 2 показана схема просветляющего покрытия SiO/SiN на пластине из GaSe.
На Фиг. 3 приведены спектры пропускания пластин селенида галлия толщиной 1,3 мм. a1 - без просветляющих пленок; а2 - с двуслойным покрытием SiO2/Si3N4 с обеих сторон.
На Фиг. 4 приведены спектры импульсов терагерцового излучения, генерированные в нелинейно-оптических элементах на кристаллах селенида галлия толщиной 1,3 мм, записанные с помощью установки импульсной терагерцовой спектроскопии (THz-TDS).
b1 - без просветляющего покрытия; b2 - с двуслойным покрытием SiO2/Si3N4 с обеих сторон.
Пример осуществления.
Детектирование осуществлялось в кристалле ZnTe. Преобразовывалось излучение фемтосекундного титан-сапфирового лазера. Генерация терагерцового излучения осуществлялась за счет оптического выпрямления фемтосекундных импульсов с центральной длиной волны 810 нм, спектральной шириной импульса 10 нм при энергии в импульсе 10 нДж.
3
4
Si3N4
Si3N4
Si3N4
3
4
2
2
2
SiO2
SiO2
Si3N4
SiO2
GaSe
Si3N4
SiO2
GaSe
Si3N4
2
2
2
2
2
Перед помещением в металлический держатель на пластину GaSe предварительно наносится двуслойное просветляющее покрытие (Фиг. 2.). Первый слой образуется пленкой SiN, которая наносится с помощью магнетронного распыления. Для получения максимального просветления на длине волны λ=810 нм толщина пленки составляет d=λ/4/n=96 нм при коэффициенте преломления n=2,1. Пленки из SiN обладают хорошей адгезией к GaSe и стабильны. Они служат основой для нанесения второго слоя из SiO. Второй (верхний) слой из SiO также наносится с помощью магнетронного распыления. Толщина пленки из SiO для получения максимального просветления на длине волны λ=810 нм должна составлять d=λ/4/n=140 нм при коэффициенте преломления n=1,45. Такая структура обладает низким коэффициентом отражения R=((n)n-(n))/((n)n+(n))=2,3%.
2
2
-1
GaSe
GaSe
GaSe
В случае нанесения двуслойной пленки на обе поверхности GaSe при измерения коэффициента пропускания получается спектр вида, показанного на Фиг. 3. Пропускание Т на длине волны 810 нм на уровне 95% хорошо согласуется с расчетным пропусканием с учетом многократного отражения: Т=(1-R)exp(-αd)/(1-Rexp(-2αd))=96% при толщине пластины d=1,3 мм и коэффициенте поглощения α селенида галлия равном 0,1 см. Из экспериментальных данных (Фиг. 3) следует, что толщины и коэффициенты преломления нанесенных пленок соответствуют указанным выше расчетам и обеспечивают спектральное положение максимума оптического пропускания в районе длины волны 810 нм, а также уровень оптического пропускания, близкий к максимальному расчетному.
2
2
3
4
3
4
2
3
4
2
SiO2)
GaSe
3
4
2
0.5
Принцип действия заявленного двуслойного просветляющего покрытия основан на деструктивной интерференции волн, отражаемых от границ воздух-SiO, SiO-SiNи SiN-GaSe. Выбор оптических толщин nd пленок SiO и SiN равными λ/4 обеспечивает сдвиг по фазе, соответствующий потере половины волны при двойном прохождении ей пленки относительно волны, отраженной от передней грани пленки. Это является условием деструктивной интерференции. При этом условие, накладываемое на коэффициенты преломления пленок (nдолжно быть как можно ближе к ((nn); в нашем случае пленка 2 это пленка SiN), в случае его строго выполнения, обеспечивает равенство суммы амплитуд волн в фазе сумме амплитуд волн в противофазе, что обеспечивает полное гашение отраженной волны и снижение потерь на отражение (Фиг. 4). На длине волны 810 нм КПД повышается на величину до 5% за счет снижения потерь на отражение излучения фемтосекундного лазера на величину до 3%.
Техническим результатом полезной модели является повышение КПД оптико-терагерцового преобразователя на основе кристалла GaSe при оптическом выпрямлении фемтосекундных импульсов лазера и повышение долговечности оптического элемента.
Источники информации:
1. Оптико-терагерцовый преобразователь с черенковским излучением. Патент на изобретение № 2574518 от 10.02.2016. Авторы: Бакунов Михаил Иванович, Машкович Евгений Александрович. Патентообладатель: Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского (ТГУ) (RU).
2. C. Kubler et al. Ultrabroadband terahertz pulses: generation and field-resolved detection, Semicond. Science Technol., V. 27, N 7, 2005, S 128.
1−x
x
1−x
x
3. M.M. Nazarov et al. GaSeS and GaSeTe thick crystals for broadband terahertz pulses generation, Appl. Phys. Lett., V. 99, 2011, 081105.
1-x
x
4. S.A. Bereznaya et al. Broadband and narrowband terahertz generation and detection in GaSeS crystals, J. Opt., V. 19, N 11, 2017, 115503.
5. R. Hegenbarth et al. High-power femtosecond mid-IR sources for s-SNOM applications, J. Opt., V 16, N 9, 2014, 094003.
2
2
2
3
6. S.A. Bereznaya et al. Transmission Spectra and Generation of Terahertz Pulses in SiO-GaSe, TiO-GaSe, GaO-GaSe, and GaSe:S structures, Russ. Phys. J., V. 58, N 8, 2015, 1181.
7. 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-телекомуникационных систем». Нижний Новгород, 2006, 99 с.