Ученые повысили эффективность инфракрасных лазеров с помощью гравировки кристаллов
Международная группа ученых с участием исследователей Дальневосточного федерального университета (ДВФУ), ИАПУ ДВО РАН, научных организаций Новосибирска, а также их коллег из Испании, Германии и Китая разработала способ снижения потерь света в кристаллах для инфракрасных лазеров. Вместо привычного просветляющего покрытия, которое плохо держится и выходит из строя, ученые предложили модифицировать поверхность самого кристалла.
Кристаллы BaGa₄Se₇ — основа перестраиваемых инфракрасных лазеров. Они позволяют плавно менять длину волны от 0,5 до 17 мкм. Такие источники нужны для спектроскопии и дистанционного зондирования: по «отпечатку» в инфракрасном спектре можно, например, определить состав газа. Но у материала есть неудобное свойство — он сильно преломляет свет, а значит, бликует. Обычно с бликами борются с помощью просветляющих покрытий, нанося несколько тончайших слоев поверх кристалла. Но на кристалле BaGa₄Se₇ такой слой держится слабо и первым разрушается под мощной лазерной накачкой. Ученые предложили обойтись без покрытия, а изменить сам кристалл.
Технология такого изменения выглядит следующим образом. Фемтосекундный лазер бьет по поверхности кристалла сверхкороткими импульсами. Падающее излучение накладывается на волны, которые само же возбуждает на поверхности. Там, где волны усиливают друг друга, остается отпечаток. Так возникает регулярная нанорешетка из линий шириной 200–375 нм. Она сглаживает резкий скачок показателя преломления на границе воздуха и кристалла: свет попадает не в стену, а на плавный «пандус», и почти не отражается. У образцов, обработанных с двух сторон таким образом, пропускание в диапазоне 1–3 мкм выросло с 65 до 80%.
Полученный эффект подтвердили двумя способами: инфракрасной спектроскопией и прямым измерением мощности излучения перестраиваемого лазерного источника, проходящего через кристалл. Исследователи также показали, что обработка не разрушает исходную кристаллическую структуру материала, а оптические свойства наноструктурированных участков сохраняются после года хранения в обычных условиях.
«Лазерная самоорганизация позволяет сформировать нанорешетки без использования жесткой фокусировки лазерного пучка, а значит, метод подходит для обработки сравнительно больших площадей. Это делает лазерную самоорганизацию перспективным инструментом для улучшения оптические характеристик реальных нелинейных кристаллов», — пояснил один из авторов исследования, доцент Базовой кафедры фотоники и цифровых лазерных технологий Политехнического института ДВФУ Станислав Гурбатов.
Дополнительно ученые испытали мягкий лазерный отжиг — он удаляет с поверхности продукты обработки и усиливает просветляющий эффект. По оценкам исследователей, разработка открывает путь к повышению эффективности оптических параметрических генераторов, усилителей и других устройств с инфракрасными нелинейными кристаллами.