Генерация терагерцового излучения в нелинейнооптических кристаллах BBO, LBO и KTP под действием интенсивного лазерного излучения

Abstract

Нелинейные кристаллы бета-борат бария (β-BaB2O4, BBO), триборат лития (LiB3O5, LBO) и титанил-фосфат калия (KTiOPO4, KTP) широко используются в качестве преобразователей частоты лазерного излучения ближнего ИК-диапазона в пределах окон их прозрачности. На длине волны 1064 нм их нелинейные коэффициенты принимают относительно невысокие значения: d22 = ±2,3 пм/В (BBO), d32 = ±0,85 пм/В (LBO) d33 = 10,7 пм/В (KTP) [1], однако, благодаря высокой лучевой прочности, в особенности боратов, и малому поглощению, они до сих пор остаются популярным. Учитывая эффективность кристаллов для преобразования частот в оптическом диапазоне, можно предположить, что они также применимы и для генерации разнолистной частоты (ГРЧ) в терагерцовый (ТГц) или миллиметровый (мм) диапазоны, поскольку данный процесс опирается на те же нелинейные коэффициенты. Принимая во внимание прогресс в развитии высокоинтенсивных лазерных установок, мотивацией данного исследования является перспектива создания компактных и мощных источников ТГц- и мм-диапазона, основанных на принципах нелинейной кристаллооптики и обладающих высокой спектральной яркостью. В данной работе с помощью импульсного терагерцового спектрометра (ЦКП «Спектроскопия и оптика», ИАиЭ СО РАН [2]) изучены оптические свойства кристаллов BBO, LBO и KTP в диапазоне 0,2 – 2 ТГц при комнатной (295 K) и криогенной (77 K) температурах. Определены дисперсионные свойства показателей преломления и аппроксимированы в виде уравнений Селмейера, по которым рассчитаны кривые фазового синхронизма для ГРЧ лазерного излучения ближнего ИК-диапазона . В результате установлено, что у кристаллов KTP и ВВО условия фазового синхронизма не исчезают с криогенным охлаждением, а коэффициенты поглощения резко падают с сохранением существенной анизотропии. Таким образом, ГРЧ в ТГц спектральный диапазон возможен. Картина изменения свойств кристаллов LBO с охлаждением чрезвычайно сложна, и условия фазового синхронизма перестают выполняться при криогенных температурах. Однако, обнаруженная температурная стабильность оси Z и значительное падение оптических потерь для волн с поляризацией параллельной осям Х и Y открывают новые перспективы использования данного кристалла для устройств ТГц- и мм-диапазонов. Обсуждаются детали полученных результатов и потенциальные характеристики преобразователей в ТГц-диапазон.