Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Проект акцентирует внимание на исследовании фундаментальных характеристик (спектроскопических, оптических и нелинейно-оптических) новых нелинейно-оптических материалов и структур, а также исследование новой архитектуры при построении мощных параметрических генераторов света ПГС. Развитие лазерной техники во многом определяется потенциальными возможностями и качеством используемых монокристаллов. В связи с необходимостью повышения эффективности работы материалов проводится углубленное изучение их свойств, ведутся работы по синтезу новых веществ с улучшенными характеристиками, такими как нелинейность, оптическая стойкость К основным достижениям первого года можно отнести: 1. Создание нового экспериментального стенда для исследования лазерных систем среднего ИК-диапазона на кристаллах Ho:YAG с накачкой излучением тулиевого волоконного лазера на длине волны 1908 нм мощностью до 52 Вт. 2. Сфокусированное излучение двухмикронного лазера с наносекундной и суб-пикосекундной длительностью импульсов использовали при тестировании материалов для генерации суперконтинуума среднего ИК диапазона. Пороги лучевой стойкости пластинок BaGa4Se7 (BGSe), LiGaTe2 (LGT) составили: 4.56 Дж/см2 (351 МВт/см2) и 1.06 Дж/см2 (82 МВт/см2) при f=2 кГц, 13 нс и d=0.20 мм, соответственно. При 2 кГц и пиковой плотности мощности 1.112 ГВт/см2 оптический пробой на поверхности пластинок КТА не обнаружен. Полученные данные по лучевой стойкости поверхности выращенных кристаллов BGSe, LGT и KTA демонстрируют высокое качество кристаллов и перспективность их применения в соответствии с требованиями, предъявляемыми к нелинейным преобразователям в твердотельных лазерных системах среднего инфракрасного диапазона с высокой средней мощностью. 3. Найдены оптимальные условия выращивания монодоменных кристаллов КTiOAsO4, проведено исследование оптических и электрических свойств, условий переключения доменов, получены результаты исследования in situ кинетики образования доменов при приложении однородного электрического поля с высоким временным разрешением, обнаружены основные этапы эволюции доменной структуры, основные типы доменных стенок и параметры их кинетики. Анализ кинетической карты по всей коммутируемой области позволил надежно выявить медленно и быстро образующиеся стенки в КТА, аналогичные случаю КТР. Однако, соотношение быстрой и медленной подвижности стенок в KTA примерно в шесть раз больше, чем в KTP. Кинетические карты, созданные для различных прикладываемых полей, позволили получить полевые зависимости скоростей быстрых и медленных стенок, определить подвижности стенок и пороговые поля. Более того, выявлено, что аномально высокое отношение быстрой и медленной подвижности стенок приводит к подавлению нежелательного расширения полосовых доменов, что делает кристаллы KTA очень привлекательными для создания периодических структур. Установлена зависимость процесса полинга кристалла от условий, при которых они были выращены. Из кристаллов изготовлены периодические структуры с разным периодом доменов. Отработаны методы обработки поверхности и нанесения просветляющих покрытий. 4. Для исследования параметрической генерации на основе периодически-поляризованных структур PPKTA, полученных в процессе выполнения данного проекта, была создана экспериментальная установка. В качестве источника излучения использовался Nd:YLF лазер с длиной волны 1.053 мкм. Частота следования импульсов варьировалась от 0.02 кГц до 4 кГц. Максимальная энергия импульсов составляла 1 мДж. На пластинах КТА были нанесены дорожки с разными периодами (Λ1 = 45.2 мкм, Λ2 = 39.2 мкм и т.д.). На одной из дорожек Λ3 = 39.2 мкм порог параметрической генерации составил 190 мкДж (149.3 МВт/см2), квантовая эффективность 9.2% и дифференциальная эффективность 6.4%. На пластине из другого кристалла на дорожке Λ2= 39.8 мкм порог параметрической генерации составил 130 мкДж (52.97МВт/см2), квантовая эффективность 27% и дифференциальная эффективность 12%. Таким образом, получена высокоэффективная параметрическая генерация на основе периодически-поляризованных структур PPKTA с накачкой Nd:YLF лазером в области 1.053 мкм. 5. В кристаллах LiBC2 (B=In, Ga; C=S, Se) замещение анионов S, Se на Te приводит к изменению структуры и значительному повышению нелинейной восприимчивости второго порядка (43 пм/В для LGТ по сравнению с 9.9 и 5.8 пм/В для LGSe, LGS, соответственно). Однако при этом значительно понижается оптическая стойкость теллурида, которая составляет 82 МВт/см2 (см. раздел 2) при накачке Ho:YAG лазером в области 2 мкм. Введение в состав LiGaTe2 дополнительного катиона In3+ понижает температуру плавления, уменьшая тем самым агрессивность лития в среде и количество образующихся дефектов. Кристаллы состава LiGa0.5In0.5Te2 прозрачны в диапазоне 0.76−14.8 мкм, ширина запрещенной зоны Eg = 1.84 эВ при 300 K. Согласно теоретическим оценкам двулучепреломление Δn=0.04, нелинейный коэффициент d14 = d36 = −48.73 пм/В (что подтверждено методом Куртца). С другой стороны, замещение лития на более тяжелый катион Ba2+ позволяет также повысить нелинейные свойства с сохранением устойчивости. Одним из перспективных кристаллов в средней ИК-области, сочетающим широкий диапазон прозрачности 0.465-22 мкм, высокий нелинейный коэффициент (d11 =18.2 пм/В, d13 = -20.6 пм/В) и значительную оптическую стойкость (351 МВт/см2 при длине волны 2мкм, 13 нс) является BaGa4Se7 (BGSe). Крупные кристаллы BGSe были выращены методом Бриджмена в вертикальном варианте. Для оптимизации режимов кристаллизации использован пакет STRCGSim 16.1. Это узкоспециализированное программное обеспечение, которое позволяет рассчитывать распределение тепловых полей, возникающих внутри теплового узла, учитывая теплопроводность, конвекцию и излучение. На основе данных о глобальном теплообмене внутри теплового узла производится расчёт формы фронта кристаллизации, что обеспечивает получение кристаллов достаточно крупного размера и высокого оптического качества. Проведена аттестация образцов с помощью методов оптической спектроскопии. Также была получена параметрическая генерация с перестройкой холостой волны в области 7-9 мкм на рабочем образце BaGa4Se7 размером 4х6х15 мм3, который был изготовлен в процессе выполнения проекта. Накачка осуществлялась Nd:YAG лазером в области 1.053 мкм 6.Были отработаны методы получения крупных кристаллов LiGaS2, LiGaSe2, изготовлены оптические элементы с антиотражающими покрытиями на торцах, которые использовались в качестве преобразователей частоты излучения рамановского лазера Nd:YAG/CaCO3 с длиной волны 1.064/1.203 мкм, длительностью 20 пс. Проведено сравнительное исследование высокоэнергетической пикосекундной генерации разностных частот среднего ИК в диапазоне длин волн 4.6, 9.2 мкм в кристаллах LiGaS2 и LiGaSe2. Узкополосная сигнальная волна для генерации разностных частот генерировалась однократным вынужденным комбинационным рассеянием в комбинационно-активных кристаллах CaCO3, BaWO4 и алмаза. Была продемонстрирована узкополосная (<2 см-1) генерация импульсов ~ 20 пс с энергией выше 10 мкДж на дискретных длинах волн 4.6, 5.4, 7.5 и 9.2 мкм. Оптимизация диаметра пучка излучения накачки и синхронизация мод между пучками накачки и сигнала позволили увеличить энергию выходного импульса с 7,5 мкм до 50 мкДж в случае LiGaSe2. Выделены спектральные диапазоны, где наиболее эффективное преобразование было получено для LiGaS2(4.6-5.4 мкм) и LiGaSe2 (7.5-9.2 мкм). Кристаллы LiGaS2, LiGaSe2 характеризуются высокой оптической стойкостью (> 240 МВт/см2, около 100 МВт/см2 при длине волны 1.064 мкм и длительности импульса 20 пс, соответственно). 7. Монокристаллы ZnSe:Cr2+ вырастили из паровой фазы стехиометрического состава в атмосфере инертного газа на затравку по направлению (111). Исходными материалами для выращивания кристаллов служили поликристаллический селенид цинка и селенид хрома, полученные путем температурного синтеза в вакуумированных кварцевых ампулах .Были выращены оптически однородные монокристаллы ZnSe:Cr2+ с различными концентрациями хрома. Коэффициент поглощения в образцах на длине волны 1.75 мкм изменялся от 0.2 до 12 см-1. Изготовлена серия новых активных элементов на основе поликристаллического Cr2+:ZnSe. 8. Проведены исследования параметрической генерации в среднем ИК диапазоне в структуре MgO:PPLN с накачкой лазером на основе керамики Tm3+:Lu2O3 на длине волны ~1966 нм. Для параметрической генерации была использована дорожка с периодом 29.7 мкм. Апертура кристалла составила 3*10 мм, длина структуры 20 мм. Данная структура была изготовлена кампанией “Лабфер” из конгруэнтного стехиометрического монокристалла LiNbO3, легированного MgO. Tm3+:Lu2O3 лазер накачивался излучением непрерывного эрбиевого волоконного лазера с рамановским преобразованием длины волны на 1670 нм. Длина волны лазера на керамике Tm3+:Lu2O3 могла “переключаться” с 2076 нм при низких мощностях накачки (≤2 Вт) на 1966 нм при более высоких значениях накачки (≥5 Вт). Лазер работал в режиме модуляции добротности и имел линейную поляризацию при средней мощности 12 Вт при частоте следования 13-14 кГц. Структура MgO:PPLN была размещена на термостабилизированном держателе с возможностью изменения температуры в диапазоне от 293 К до 433 К. Средняя мощность ПГС, суммарная для сигнальной и холостой волн, достигала ~530 мВт при частоте следования импульсов накачки 15 кГц. Широкополосный сигнал генерации ПГС был зарегистрирован в области ~3.7-4.2 мкм (сигнальная и холостая волны). При увеличении частоты повторения импульсов накачки выше 15 кГц средняя мощность ПГС снижалась, а при более низких частотах рост мощности генерации ограничивался пробоем MgO:PPLN структуры. Полученные результаты были представлены на 3 международных конференциях; опубликована 1 работа в рецензируемом журнале c квартилем Q1, 4 работы находятся в печати (LaserPhysicsLetters, Optical Materials, Atmospheric and Oceanic Optics и др.); сообщения в СМИ: https://www.nsu.ru/n/media/news/nauka/novosibirskie-uchenye-nachali-rabotu-po-razrabotke-vysokoeffektivnykh-kompaktnykh-lazerov/?sphrase_id=337644 https://baikal24.ru/text/07-08-2019/004/ http://novosibirsk.bezformata.com/listnews/visokoeffektivnih-kompaktnih-lazerov/76742277/ http://www.sib-science.info/ru/institutes/novosibirskie-06082019 https://news.myseldon.com/ru/news/index/214416688

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
1. Поиск оптимальных условий выращивания и отжига наиболее перспективных кристаллов. Изучение их реальной структуры, дисперсионных характеристик, построение уравнений Селлмейера, оценка оптической стойкости. Отработка метода изготовления оптического элемента с антиотражающим покрытием. В последнее время наблюдается развитие сверхбыстрых лазерных спектрометров ср. ИК с высокой частотой повторения, для которых наиболее приемлемыми нелинейными преобразователями являются разрабатываемые широкозонные халькогенидные кристаллы. Такие лазеры позволяют решать множество новых исследовательских задач, что ранее было неосуществимо. Основным элементом таких систем является нелинейный кристалл, сочетающий совокупность свойств и отвечающий ряду требований: высокие нелинейные коэффициенты, широкий диапазон прозрачности и условий фазового синхронизма (последний обеспечивается оптимальным двулучепреломлением), а также значительная ширина запрещенной зоны, оптическая стойкость, теплопроводность и др. Одним из главных условий успеха является технологичность выращивания кристаллов высокого оптического качества и их использования. Реализация непрерывной перестройки в среднем ИК диапазоне от 5 до 20 мкм требует непрерывного поиска новых нелинейных двулучепреломляющих халькогенидных соединений. В настоящем отчете приведены данные исследований характеристик наиболее технологичных нелинейных кристаллов с точки зрения их получения и использования. В ряде материалов (LGS, LGSe, BGSe) коэффициенты нелинейности увеличиваются слева направо (5,8 пм/В, 9,9 пм/В и 18,2 пм/В, соответственно). В той же последовательности расширяется диапазон прозрачности в среднем ИК диапазоне (0,32–11,6 мкм, 0,37–13,2 мкм, 0,47–18 мкм). Важно отметить высокий порог оптического повреждения, характерный для этих кристаллов: 3,3 Дж/см2 для LGS, 0,5 Дж/см2 для LGSe и 2,8 Дж/см2 для BGSe при 1064 нм, 10 нс. С другой стороны, низкая анизотропия теплового расширения для всех кристаллов и высокая теплопроводность для литийсодержащих кристаллов делают эту группу кристаллов удобной как в производстве (низкая склонность к растрескиванию и двойникованию), так и в использовании (отсутствие тепловых линз при высокой плотности энергии лазерного луча накачки). Для оптимизации процесса выращивания монокристаллов методом Бриджмена применяли компьютерное моделирование (пакет STR CGSim 16.1). Достоверно построенная компьютерная модель процесса роста позволила оценить и скорректировать такие важные для получения высококачественных кристаллов параметры как: форма фронта кристаллизации, возникающие температурные неоднородности, и, как следствие, тепловые напряжения в кристалле. Для построения модели были измерены теплофизические характеристики кристаллов (теплопроводность, теплоемкость и скрытая теплота кристаллизации). Результатом проделанной работы является получение рекордно крупных кристаллов LiGaS2 оптического качества, оптическая прочность которых достигает тераваттных значений в фемтосекундном режиме накачки. Поиск новых перспективных кристаллов увенчался успехом. Основываясь на результатах молекулярного дизайна, мы впервые в мире получили нелинейный монокристалл селенида для среднего ИК диапазона AgLiGa2Se4. Были выращены крупные кристаллы AgLiGa2Se4 оптического качества, и для них установлена структура халькопирита. Новый кристалл AgLiGa2Se4 имеет: диапазон прозрачности 0,57-19 мкм, ширину запрещенной зоны (2,11 эВ при 300 K). Теоретически и экспериментально нелинейно-оптический коэффициент d оценивался методом Курца-Перри: 26,5 и 26,0 пм/В, соответственно. Значения LDT в 5 раз превышают значения для AgGaSe2 для импульсов длительностью 6 нс, тогда как при 0,5 нс LDT превышает 1 ГВт/см2. Очевидно, что AgLiGa2Se4 демонстрирует очень хорошие комплексные характеристики в среднем ИК-диапазоне. 2. Выращивание сегнетоэлектрических кристаллов RbTiOAsO4(RTA), исследование процессов дефектообразования, изучение оптических и электрических свойств в зависимости от условий выращивания кристаллов. Отработка процессов монодоменизации кристаллов RbTiOAsO4, изучение кинетики образования доменов при приложении однородного электрического поля с высоким временным разрешением. Кристаллы RbTiOAsO4 (RTA), выращенные методом Чохральского, являются структурным аналогом арсената KTiOAsO4 (KTA), но имеют несколько более высокие показатели преломления и нелинейные параметры: нелинейный коэффициент для RTA составляет d33(1.064мкм) ∼ 20 пм/В, для KTА- ∼16 пм/В. Образцы характеризуются: проводимость 10-10- 10-11Ом-1см-1, коэрцитивное поле- Ec=2,4-2,6кВ/мм2. Важным фактором является отсутствие фоторефрактивных повреждений, что позволяет стабильно работать при комнатной температуре. По сравнению с PPKTP периодически поляризованные кристаллы RTA характеризуются более длинноволновым ИК-краем (≈5.2 мкм вместо ≈4.4 мкм для KTP). Такие свойства делают PPRTA особенно подходящим для оптических параметрических генераторов в среднем ИК-диапазоне и систем генерации разностной частоты. 3. Исследование параметрической генерации света (ПГС) в диапазоне 3.7-5 мкм в структурах PPКТА при накачке твердотельным лазером 2-х микронного диапазона (в режиме, близком к вырожденному). В отчётный период был создан новый лазер на кристалле Tm3+:YAP, который накачивался излучением волоконного лазера на длине волны 1,67 мкм. Использовались стержни из кристалла Tm3+:YAP длиной 35 мм и диаметром 4 мм с концентрацией ионов Tm3+ 1 ат. %. Использовался полуконфокальный резонатор длиной около 100 мм: плоское входное зеркало и вогнутое выходное зеркало (с коэффициентом отражения на длине волны 1900 нм ~50%) с радиусом кривизны 200 мм. Лазер на кристалле Tm3+:YAP генерировал на длине волны 1896 нм в непрерывном и импульсно-периодическом режимах. Мощность генерации в непрерывном режиме достигала 15 Вт в основной моде (при структуре пучка близкой к гауссовой). Импульсно-периодическая генерация Tm3+:YAP лазера была получена за счёт использования внутрирезонаторного акустооптического модулятора. Длительность импульсов генерации составляла 70-100 нс при частоте их следования 2-10 кГц (2 кГц). Средняя по времени мощность импульсно-периодического излучения была 7 Вт в основной моде (при высоком качестве пучка, близком к дифракционному пределу). Следует отметить, что впервые в мире получена генерация на длине волны 1895 нм в лазере на кристалле Tm3+:YAP с накачкой излучением волоконного лазера. Импульсно-периодическое излучение лазера на кристалле Tm3+:YAP было использовано для накачки ПГС на структуре периодически-поляризованного KTA (PPKTA). Период структуры составлял 37,88 мкм, толщина кристалла - 2 мм, его длина - 14 мм, ширина дорожки с наведённой структурой – около 1 мм. Излучение лазера на кристалле Tm3+:YAP фокусировалось в структуру PPKTA с помощью линзы с фокусным расстоянием 100 мм (с учётом геометрической расходимости). Была исследована мощность ПГС как функция мощности накачки при разных температурах (от комнатной до 150 °C) нелинейной среды. Таким образом, впервые реализована ПГС в структуре PPKTA на длине волны около 3,8 мкм. Генерацию вблизи точки вырождения и ограничение времени генерации (3-10 секундами) можно объяснить нагревом структуры с изменением показателя преломления КТА, приводящим к изменению условий синхронизма волн при нелинейном взаимодействии. Следует отметить, что в предварительных экспериментах на другой дорожке PPKTA наблюдалась параметрическая генерация с мощностью более 450 мВт при мощности накачки около 6 Вт (при частоте повторения 3 кГц). К сожалению, при этой мощности произошёл пробой поверхности нелинейно-оптического элемента. Эти результаты говорят о возможности получения более высокой мощности ПГС на основе PPKTA при правильном подборе периода решётки и улучшении её качества, однако трудно ожидать значительного роста мощности ПГС из-за высокого поглощения КТА на длине волны более 3,5 мкм. 4. Экспериментальные исследования возможности генерации широкополосного излучения среднего ИК в халькогенидных материалах (в том числе в световодах) при накачке излучением двухмикронного диапазона, периодически-поляризованные структуры на основе КТА с апериодической и веерной геометрией. В рамках данного проекта были проведены экспериментальные исследования ПГС на основе нелинейного оптического кристалла BaGa4Se7 (BGSe) с накачкой Nd:YLF лазером с модуляцией добротности на длине волны 1053 нм. Получена перестройка длины волны ПГС на основе нелинейного кристалла BGSe от 2,6 до 10,4 мкм при использовании первого типа взаимодействия (o-ee) в Y-плоскости. Перестройка длины холостой волны, реализованная на одном кристалле BGSe, наблюдалась в диапазоне от 2,2 до 10,5 мкм. В отличие от структур с постоянным периодом, в настоящее время применяются веерные периодически-поляризованные структуры, в которых период плавно меняется в зависимости от координаты. Эти структуры при размещении их в резонаторе ПГС могут обеспечить плавную перестройку длины волны при фиксированной температуре. Такие структуры на основе кристалла PPLN уже успешно были применены в различных устройствах, таких как газоанализатор «Лазер Бриз», а также в других экспериментах. Основным недостатком всех периодических структур на основе ниобата лития является его оптическая стойкость, которая находится на уровне порядка 250 МВт/см2. Использование КТА для таких задач значительно увеличит срок службы приборов, поскольку оптическая стойкость KTA составляет порядка 1 ГВт/см2. Были проведены эксперименты по созданию веерной РДС на пластине. Лучшие результаты были получены для фрагмента с однородным сопротивлением 1011 и 1012 Ом-1см-1. 5. Синтез и изготовление новых элементов из кристаллов Cr2+:ZnSe(S). Исследование дефектов в кристаллах Cr2+:ZnSe(S). Создан лазер на основе элементов Cr2+:ZnSe с накачкой излучением Ho3+:YAG лазера. Средняя мощность генерации Cr2+:ZnSe лазера достигала 3,5 Вт при частоте повторения импульсов 20 кГц. Максимальный результат по средней мощности генерации был достигнут с наиболее длинным активным элементом (длиной 26 мм); при использовании более коротких активных элементов из поликристаллов Cr2+:ZnSe, а также монокристаллического образца средняя мощность генерации уменьшалась. С уменьшением частоты повторения импульсов накачки средняя мощность генерации также снижалась. Спектр генерации лазера на Cr2+:ZnSe определялся спектром отражения дихроичных диэлектрических зеркал и линией усиления активной среды. Максимум линии генерации смещался в длинноволновую сторону с 2400 нм до 2460 нм при росте накачки с 10 Вт до 20 Вт. При 18 Вт накачки спектр генерации содержал линию с максимумом ~2430 нм, ширина которой составляла ~70 нм по полувысоте. При введении в резонатор акустооптического фильтра (АОФ) достигалась устойчивая узкополосная лазерная генерация (с шириной линии менее 10 нм) с максимумом, зависящим от несущей частоты АОФ и изменяемым от 2300 нм до 2500 нм. Мощность генерации в селективном резонаторе снижалась до 1,1-3,2 Вт в зависимости от длины волны.

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В рамках проекта решается комплексная задача создания высокоэффективных, мощных и компактных лазеров, генерирующих пучки излучения в среднем инфракрасном (ИК) диапазоне (в частности, в диапазоне длин волн от 3 до 10 мкм), которая включает два блока: с одной стороны, ведется поиск и создаются широкозонные нелинейные кристаллы халькогенидных соединений с широким спектральным диапазоном прозрачности, высокой оптической стойкостью, а также осуществляется выращивание сегнетоэлектрических оксидных кристаллов, на базе которых создаются периодические структуры разной геометрии. С другой стороны, ведется поиск оптимального технического решения создания широко перестраиваемых параметрических генераторов света, генерирующих излучение в окнах прозрачности атмосферы и в среднем ИК диапазоне. 1. Выращивание новых сегнетоэлектрических кристаллов КТА:Zr, изучение их оптических характеристик. Исследование оптических, электрических свойств и условий переключения доменов в RTA. Впервые наблюдали ПГС в диапазоне 3-4 мкм, вблизи точки вырождения на периодических структурах РРКТА. Получили 450 мВт при мощности накачки около 6 Вт (при частоте повторения 3 кГц). Однако, по истечении короткого времени воздействия лазерного излучения с длиной волны около 3.8 мкм, наблюдали пробой на поверхности кристалла в условиях данного эксперимента. Одной из причин этого может быть полоса поглощения в спектре кристаллов RTA, КTA с максимумом 4.2 мкм. Это поглощение обусловлено колебаниями Ti-O связи, и, чтобы ослабить его, в состав кристалла КTA ввели 10 ат.% более тяжелого атома Zr. При этом образуется твердый раствор KTi0.9 Zr0.1AsO5, для которого сохраняется симметрия кристалла КТА. Впервые повышение прозрачности в этой области было зафиксировано нами в спонтанно выращенных небольших кристаллах КТА:Zr в 1996 году. На данном этапе крупные кристаллы КТА:Zr и RTA были выращены методом TSSG ( из раствор расплава) при вариации состава расплава (соотношения К(Rb)/As, концентрации основного вещества) и температуры роста, аналогично кристаллам КТА. В спектрах выращенных кристаллов с добавкой циркония интенсивность поглощения на длине волны 3.8 мкм уменьшается, что позволяет получить нелинейный материал, эффективно работающий в этой области спектра. 1.2 Исследование электрических свойств и условий переключения доменов RTA. Кристалл RTA является структурным аналогом титанил арсената калия, но имеет несколько более высокие показатели преломления (nx =1.84, ny = 1.87 и nz = 1.96 при 486 нм, нелинейные коэффициенты d33(1.064мкм) для RTA и KTА ∼ 20, 16 пм/В, соответственно). Разница групповых скоростей при 3.5 мкм для RTA имеет более низкое значение, чем для КТР и КТА. Вследствие этого RTA оказался лучшим кандидатом для мощной оптической параметрической генерации в фемтосекундном режиме. Порог повреждения для этих кристаллов, выращенных методом TSSG, превосходит 200 ГВт/см2 для фемтосекундных импульсов. Коэрцитивное поле RTA оценено при комнатной температуре: Ec=2.4-2.6 кВ/мм2, в то время как для КТА Ec = 9 кВ/мм2 при 150 К. Была исследована эволюция процесса образования доменной структуры RTA, ее устойчивость. Были выращены монокристаллы RTA с достаточно высоким сопротивлением 10-13Ω-1см-1. Переключение поляризации с жидкими электродами в кристаллах RTA проводилось при комнатной температуре с электродами из электролита (LiCl). Процесс происходит за счет роста и слияния стримеров. Стримеры начали образовываться в полях 4 кВ/мм, при этом после выключения поля происходило самопроизвольное обратное переключение с полным восстановлением исходного состояния. Полное переключение поляризации было получено в поле 6 кВ/мм, прикладываемом в течение 40 с. Однако, после выключения поля образец полностью самопроизвольно переключился назад. Для переключения при повышенных температурах на полярные поверхности образца наносились ITO электроды методом магнетронного распыления. На Z+ поверхность наносились круглые электроды диаметром 0.8 мм, на Z- поверхность - сплошной электрод. Переключение проводилось при температуре 300°C в поле 500 В/мм. На основе анализа видеозаписи кинетики можно сделать следующие выводы: (1) доменная структура растет вблизи Z- полярной поверхности; (2) переключение происходит за счет образования и роста бесформенных доменных структур; (3) граница переключения значительно выходит за края электрода. Обратного переключения на видеозаписи не наблюдалось. 2. Исследование оптической стойкости новых полученных кристаллов халькогенидов На 3-ем этапе проекта впервые получен и аттестован нелинейный монокристалл для среднего ИК диапазона: четырехкомпонентный селенид AgLiGa2Se4 (тетрагональная структура I-42d), прозрачный в диапазоне 0.57-19 мкм. Ширина запрещенной зоны Eg для AgLiGa2Se4 (2.11 эВ, 300 К) выше, чем для AgGaSe2 (1.8 эВ, 300 К). Как следствие, новый кристалл обладает более высокой оптической стойкостью, более чем на 50 % выше значения для AgGaSe2, а именно на 70, 73 и даже 100% для частот повторения 10, 100 и 1000 Гц, соответственно и длительности импульса 6 нс, λ = 1064 нм. При возбуждении на порядок более короткими импульсами (0.5 нс) значения порога лазерного пробоя AgLiGa2Se4 превышают 1 ГВТ см−2. Этот материал представляет собой новый многообещающий нелинейный кристалл для преобразования когерентного излучения в среднем ИК-диапазоне с высокой нелинейной восприимчивостью и повышенной лучевой стойкостью, прозрачный в широком спектральном диапазоне. 3. Поиск оптимального технического решения с целью получения генерации на длинах волн 3-10 мкм. Создание лабораторного макета параметрического генератора света. В рамках данного проекта были проведены экспериментальные исследования ПГС на основе нелинейного оптического кристалла BGSe с накачкой Nd:YLF лазером с модуляцией добротности на длине волны 1053 нм. При нагрузке на кристалл 250 МВт/см2, длительности импульса 10 нс, частоте повторения 100 Гц и диаметре пучка 200 мкм через короткое время наблюдали повреждения на поверхности элемента и треки в объеме. Пороговый уровень энергии накачки был снижен, его значение составило Epth = 250 мкДж. Низкий порог генерации ПГС был достигнут за счет уменьшения диаметра пучка накачки до значения порядка ~ 1 мм. ПГС осуществляются значительно ниже порога насыщения и порога повреждения кристалла. Получена перестройка длины волны ПГС на основе нелинейного кристалла BGSe от 2.6 до 10.4 мкм при использовании первого типа взаимодействия (o-ee) в Y-плоскости. Для увеличения эффективности преобразования, увеличения энергии в импульсе разработана схема генерации перестраиваемого излучения в области 2-10 мкм в кристалле BGSe при пикосекундной накачке. В схеме предполагается реализовать параметрическое усиление холостой волны в кристалле BGSe (o-ee взаимодействие в XZ-плоскости) при накачке импульсами в области 1.064 мкм длительностью 90 пс и инжекции сигнальной волны в области 1.5-1.6 мкм. На первом этапе с использованием излучения лазера APL2106, работающего с частотой следования импульсов 10 Гц, реализована генерация импульсов сигнальной волны в области 1.56 мкм на основе кристаллов КТР канала инжекции с энергией до 3-5 мДж. В экспериментах максимальная энергия ограничивалась размерами и оптической стойкостью элементов КТР. Возможно масштабирование схемы по энергии импульсов в ИК диапазоне, так как максимальная энергия импульсов накачки лазера APL2106 может достигать величины 1 Дж. 4. Проведение экспериментов по параметрической генерации на PPKTА и PPLN c накачкой лазером на Tm:YAP в диапазоне длин волн ~1890-1992 нм. С целью оптимизации излучения накачки для ПГС были проведены детальные исследования лазеров на кристаллах Tm3+:YAP с накачкой излучением непрерывного волоконного эрбиевого лазера с ВКР-преобразованием на длину волны 1.67 мкм. Длина волны и длительность импульсов генерации зависели от мощности накачки и параметров резонатора: наблюдалось переключение длины волны при изменении мощности накачки. Лазер Tm3+:YAP с Г-образной формой резонатора был использован в качестве источника накачки нелинейно-оптических кристаллов: периодически-поляризованного MgO:LiNbO3 (PPLN) или периодически-поляризованного PPKTA. В рабочем режиме лазер генерировал излучение на длине волны 1941 нм с частотой повторения, варьируемой от 0.5 до 4 кГц, с длительностью импульсов 38…100 нс (в зависимости от частоты повторения) и средней по времени мощностью до 5 Вт в одномодовом пучке высокого качества. В этом режиме лазерная генерация была наиболее устойчивой к переключению длины волны и срыву импульсно-периодической последовательности, а также в лазере не происходил пробой оптических элементов. Веерная периодическая структура PPLN позволяла варьировать рабочий период решётки путем смещения положения пучка накачки вдоль оси Y. При оптимизации условий эксперимента (в частности, при фокусировке пучка накачки линзой с фокусным расстоянием 70 мм и частоте повторения импульсов от 1.5 до 2 кГц) преобразование мощности во вторую гармонику на PPLN достигало ~40%: мощность 2-ой гармоники достигала 1.9 Вт при мощности накачки ~4.7 Вт. При перестройке температуры и сканировании положения накачки вдоль оси Y была зарегистрирована параметрическая генерация. Генерация излучения среднего ИК диапазона регистрировалась в диапазоне температур 410…420 К в области структуры PPLN c периодом решётки 30.0…30.1 мкм, что соответствовало расчётам по программе SNLO, дающим оптимальный период решётки ~30.04…30.05 мкм при указанных температурах. Максимум параметрической генерации наблюдался при температуре ~414 К и составлял ~900 мкДж (суммарно по сигнальной и холостой волнам) при средней мощности накачки до 2.9 Вт (частота повторения импульсов составляла 1.3 кГц, энергия импульсов накачки - до 2.23 мДж). Квантовая эффективность ПГС достигала 31%. Спектр параметрической генерации включал широкую линию от 3878 нм до 3886 нм с неоднородной структурой, изменяющейся от импульса к импульсу. Такой режим параметрической генерации соответствовал близости к “точке вырождения” синхронизма для периодической структуры PPLN. С помощью фотоприёмников регистрировались импульсы параметрической генерации в среднем ИК диапазоне и излучения накачки, падающего или прошедшего нелинейно-оптический кристалл. При максимальной мощности ПГС длительность импульса генерации была соизмеримой с длительностью импульса накачки. Эксперименты по нелинейно-оптическому преобразованию в кристаллах KTA проводились по схеме, аналогичной схеме ПГС на основе PPLN. Эта же схема была описана в отчёте проекта РНФ прошлого года. Период структуры PPKTA составлял ~39.8 мкм, толщина кристалла – 1.9 мм, его длина - 15 мм, ширина – 7.2 мм. Излучение лазера накачки фокусировалось в нелинейный кристалл линзами с фокусным расстоянием 7, 10 или 15 см. Во избежание пробоя кристалла PPKTA средняя мощность излучения накачки ограничивалась 2.5 Вт при частоте следования импульсов 1 кГц (энергия импульсов до 2.5 мДж). Резонатор ПГС формировался входным дихроичным зеркалом (с высоким пропусканием накачки на 1941 нм и высоким отражением в диапазоне 3.6-4.1 мкм) и выходным зеркалом (с пропусканием накачки на 1941 нм и 50% отражением в диапазоне 3.6-4.1 мкм). Спектр генерации, регистрируемый с помощью монохроматора SOLAR и фотодиода InGaAs, содержал широкую линию в диапазоне длин волн ~3.78…3.92 мкм. Была зафиксирована средняя по времени мощность генерации ПГС на PPKTA 300 мВт при средней мощности накачки 2 Вт при частоте повторения импульсов 0.9 кГц и температуре термостата ~143ºС. 5. Выработка рекомендаций для создания образца мощной и компактной лазерной системы среднего ИК диапазона на основе ПГС, пригодного для транспортировки и натурных экспериментов. На основании полученных данных можно рекомендовать параметрические системы на основе веерной структуры ниобата лития (KTP, KTA, RTA), которые позволяют получать параметрическую генерацию в области 2.5-4 мкм. Данное излучение необходимо для спектроскопии газов (газоанализа). Ввиду особенностей фазового синхронизма эти системы позволяют быстро переключать режим параметрической генерации в режим мощной 2-ой гармоники с эффективностью преобразования до 50 % за проход. Данные системы могут быть востребованы для мультидиапазонных систем противодействия. 6. Проведение патентного поиска и подача заявки на защиту полученных результатов. Проведен патентный поиск и подана заявкf на патент РФ: «Нелинейный монокристалл литиевых халькогенидов и способ его получения» Заявка № 2021109205/05(019888). Благодаря объединению взаимодополняющих усилий специалистов в области поиска и получения нелинейных кристаллов высокого качества, создания периодических структур на основе сегнетоэлектрических кристаллов, а также специалистов в области создания лазерных систем удалось сделать серьезный вклад в развитие широко перестраиваемых твердотельных лазерных систем среднего инфракрасного диапазона с высокой средней мощностью и хорошим качеством пучка.