Исследования нелинейных оптических и акустооптических

свойств кристалла теллура

Воробьев Е.С., Князев Г.А.

студент, старший преподаватель, к.ф.-м.н.

Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова,

физический факультет, Москва, Россия

es.vorobev@physics.msu.ru
Акустооптические ячейки, применяемые для управления параметрами оптического излучения, удобны в работе, надежны, характеризуются высоким быстродействием и имеют малые габариты. К настоящему времени известно лишь небольшое число акустооптических материалов, возможных для использования в диапазоне длин волн электромагнитного спектра 8 - 12 микрон. Главный недостаток известных к настоящему времени материалов заключен в чрезвычайно низком значении коэффициента их акустооптического качества, что непосредственно приводит к высоким значениями уровня управляющей электрической мощности, низкой эффективности дифракции и узким линейным и угловыми апертурам акустооптических ячеек. Единственный кристаллический материал, который сможет удовлетворять требованиям высокой акустооптической эффективности, является полупроводниковый кристалл теллура [1,3]. Кристаллический теллур имеет коэффициент акустооптического качества, в несколько раз превосходящий акустооптическое качество известных акустооптических кристаллов. Также известно, что кристалл теллура обладает нелинейными оптическими свойствами, которые могут быть использованы в эксперименте для удвоения частоты излучения CO₂-лазера [2]. Известно, что на длине волны 10.6 микрон показатели преломления для обыкновенной и необыкновенной волн в теллуре, соответственно, равны n_o=4.8 n_e=6.2. Таким образом, кристалл отличает исключительно большое двулучепреломление Δn=1.4. Свойства теллура таковы, что позволяют добиться синхронной генерации второй гармоники за счет взаимодействия волн с разными поляризациями, а именно необыкновенной волны основной гармоники и обыкновенной волны второй гармоники. Тогда входное излучение лазера на выходе кристалла преобразуется в излучение на длине волны 5.3 микрон, что важно с практической точки зрения [2].

В докладе представлено описание эксперимента по синхронной генерации в теллуре второй оптической гармоники излучения углекислотного лазера. Также обсуждаются результаты теоретического и экспериментального исследования акустооптических свойств кристалла теллура при возбуждении акустических волн в XY плоскости материала и распространении света вблизи оптической оси.

Основными компонентами экспериментальной установки для наблюдения удвоения частоты в инфракрасном диапазоне являются CO₂-лазер, монокристалл теллура, оптический приемник, а также фильтрующая пластина, позволяющая на выходе кристалла выделить сигнал на удвоенной частоте на фоне излучения основной гармоники лазера. Кристалл был вырезан так, что луч лазера проходил в плоскости YZ материала вдоль направления синхронизма под углом 15⁰ к оси Z. В качестве материала для фильтрующей пластинки использовался кристалл α-Al₂O₃ (сапфир), который прозрачен на длине волны 5.3 микрон и сильно поглощает излучение на длине волны 10.6 микрон.

При проведении акустооптических исследований были рассчитаны частотные зависимости угла Брэгга при взаимодействии света и звука в плоскостях XZ и YZ монокристалла теллура. При анализе взаимодействия в плоскости XZ расчеты проведены как в случае продольных акустических волн, так и двух сдвиговых мод. В плоскости YZ анализ проведен и для квазипродольной, и для квазисдвиговых волн [3]. В экспериментах для генерации ультразвука в плоскости XZ использовался пьезоэлектрический преобразователь, генерирующий продольные акустические волны. В плоскости YZ аналогичный преобразователь, обычно применяемый для генерации продольной волны, одновременно возбуждал в материале три акустические моды, скорости которых были измерены при проведении экспериментов.

Таким образом, на основании проведенных в данной работе исследований можно сделать вывод о том, что кристаллический теллур является уникальным оптическим материалом. Этот кристалл представляет значительный интерес для практических применений как с точки зрения акустооптики, так и нелинейной оптики. Однако подробного исследования физических свойств данного кристалла в инфракрасном диапазоне спектра проведено не было. Поэтому необходимы дальнейшие теоретические и экспериментальные исследования этого перспективного материала для разработки новых приборов акустооптики и лазерной техники.
Литература
1. Gupta N., Voloshinov V. B., Knyazev G. A., Kulakova L. A. Tunable wide angle acousto-optic filter applying single crystal tellurium // Journal of Optics A, Pure and Applied Optics, 2011, v.14, pp.035502-035511.

2. Souilhac D., Billerey D. Efficient acousto-optical phase-matched non collinear optical second harmonic generation in tellurium // Proc. SPIE, 1990, v. 1273, pp.162-173.

3. Voloshinov V.B., Gupta N., Knyazev G.A., Polikarpova N.V. An acousto-optic X-Y deflector using close to axis propagation of light in the single crystal tellurium // Journal of Optics A: Pure and Applied Optics, 2011, v. 12, pp. 015706-015713.