Исследование нелинейного показателя преломления поликристаллического селенида цинка методом однолучевого Z-сканирования

Capa

Citar

Texto integral

Resumo

Представлена автоматизированная установка для исследования нелинейно-оптических свойств кристаллов методом однолучевого Z-сканирования при длительности импульсов 5.3 нс. Данная схема успешно применена для исследования нелинейного показателя преломления окна из поликристаллического ZnSe. Подробно описана экспериментальная установка, и представлен анализ данных. Измеренное значение нелинейного показателя преломления n2 составило (1.01±0.09) ∙10-11 ед. СГСЭ. Разработанная экспериментальная установка может применяться для исследования нелинейно-оптических характеристик новых нелинейных кристаллов.

Texto integral

1. Введение

Исследование нелинейно-оптических свойств материалов имеет большое значение для многих областей науки и техники, включая телекоммуникации в виде оптических переключателей, модуляторов и электрооптических устройств [1−3], волноводов [4], некоторых биологических задач [5], а также при конструировании оптических схем для лазерной техники [6]. Нелинейный показатель преломления является фундаментальным оптическим свойством, характеризующим реакцию материала на свет большой интенсивности. Он играет решающую роль во многих нелинейно-оптических явлениях, таких как самофокусировка, фазовая самомодуляция и оптическое переключение. Поэтому точные измерения нелинейного показателя преломления необходимы для разработки и оптимизации нелинейно-оптических устройств для различных приложений, от телекоммуникаций до биофотоники. Для измерения нелинейно-оптических свойств было разработано множество методов, таких как двухимпульсный спектральный метод “накачка-зондирование” [7], вырожденное четырехволновое смешение [8], почти вырожденное трехволновое смешение [9], методика вращения эллипса [10, 11], измерение искажения луча [12] и Z-сканирование [13]. Первые три метода являются потенциально чувствительными методами, но требуют очень сложной экспериментальной аппаратуры. Измерения искажения луча требуют точного сканирования луча с последующим подробным анализом распространения волны. Среди указанных выше методов Z-сканирование приобрело популярность благодаря простоте реализации, универсальности и высокой чувствительности. Метод Z-сканирования успешно используется для измерения коэффициента нелинейного преломления различных материалов, включая полупроводники, стекла, полимеры и красители. В этом исследовании мы применяли метод Z-сканирования для измерения показателя нелинейного преломления окна из поликристаллического ZnSe, который является важным материалом для инфракрасной оптики и лазерной техники. Мы представляем автоматическую экспериментальную установку для однолучевого Z-сканирования.

2. Методика

Однолучевое Z-сканирование представляет собой простой метод определения величины двухфотонного поглощения (ДФП) и нелинейного показателя преломления (n2) кристалла. Впервые указанный метод был предложен в 1989 году [13], и он широко применяется и в наше время. Для интерпретации экспериментальных данных используется метод гауссовой декомпозиции. Это широко распространенный метод анализа результатов измерений. Подробное описание метода дано в работе [14]. Принцип метода Z-сканирования довольно прост: лазерный луч фокусируется в образец, который необходимо перемещать вдоль направления распространения излучения, тем самым изменяя интенсивность излучения внутри образца. Далее излучение, прошедшее через образец, вводится в детектор, перед которым устанавливается диафрагма с переменной апертурой с коэффициентом пропускания S. Обычно в экспериментах с закрытой диафрагмой S принимает значение от 0.1 до 0.5. Данный метод применяют для исследования нелинейного показателя преломления. В случае Z-сканирования с открытой диафрагмой пропускание диафрагмы S = 1, т.е. все излучение проходит через апертуру. Такой метод применяется для исследования двухфотонного поглощения. В обоих случаях процессы самофокусировки/самодефокусировки происходят за счет перемещения образца и изменения интенсивности падающего на детектор излучения. Приближение “тонкого” образца можно использовать при выполнении следующего условия: zRn0 > L, где n0 — линейный показатель преломления, zR – длина Рэлея, а L – толщина образца. Нормированный коэффициент пропускания в точке z при открытой диафрагме для тонкого образца выражается следующим образом [13]:

Tz,S=1=m=0q0z,0mm+13/2, (1)

где

q0z,t=βI0(t)Leff1+x2. (2)

Чаще всего для аппроксимации достаточно второго порядка, поэтому эта формула сводится к выражению

T=1βI0Leff2211+x2, (3)

где Leff = (1 - e-αL)/α – эффективная толщина образца, α – коэффициент линейного поглощения, I0 – пиковая интенсивность, β – коэффициент двухфотонного поглощения, L – длина образца, а x = z/zR – нормализованная координата.

Для нахождения огибающей экспериментальных данных для Z-скана с закрытой диафрагмой обычно используется следующее выражение [13]

T(z,ΔΦ0)1+4ΔΦ0x(1+x2)(9+x2), (4)

где

ΔΦ0=2πλn2I0Leff (5)

− аксиальный фазовый сдвиг в фокусе, а n2 – нелинейный показатель преломления. Единицами этой величины являются [м2/Вт] (или [см2/Вт]) в системе СИ, но в более старой литературе можно найти значения в единицах [ед. СГСЭ]. Для преобразования таких единиц можно использовать уравнение

n2 ед.СГСЭ=cn040πn2 м2Вт. (6)

Простой способ оценить фазовый сдвиг и, следовательно, нелинейный показатель преломления — найти разницу между максимальным (пик) и минимальным (впадина) коэффициентами пропускания. Для этого можно использовать эмпирически определенное отношение

ΔTП-В0.4061S0.25ΔΦ0, (7)

где S − коэффициент пропускания апертуры в отсутствие образца, а ∆TП-В = TП - TВ, TП и TВ − нормированные максимальные (пик) и минимальные (впадина) коэффициенты пропускания. Расстояние между пиком и впадиной ∆ZП-В может служить прямой мерой оценки дифракционной длины падающего луча для нелинейного отклика заданного порядка. При использовании гауссова пучка и апертуры в дальней зоне это соотношение для нелинейности третьего порядка определяется выражением

ΔZП-В1.7Z0. (8)

Нелинейная восприимчивость третьего порядка χ(3) считается комплексной величиной:

χ3=χR3+iχI3, (9)

где действительная часть связана с n2 формулой [13, 15]

χR3ед. СГСЭ=104ε0c2n02πn2см2Вт, (10)

а мнимая часть связана с коэффициентом двухфотонного поглощения β формулой

χI3ед.СГСЭ=102ε0c2n02λ4π2βсмВт. (11)

В указанных формулах ε0 – диэлектрическая постоянная, с – скорость света, а λ – длина волны излучения.

3. Экспериментальная установка

В качестве тестового образца было взято окно из поликристаллического ZnSe размером 13×15×2.18 мм3. Исследуемая пластинка имела минимальный клин, а для предотвращения обратного отражения и эффекта эталона [14] на обе грани пластинки было нанесено однослойное антиотражающие покрытие с центром на длине волны 1.053 мкм.

Схема Z-сканирования представлена на рис. 1. В качестве источника излучения использовался Nd:YLF-лазер (TECH 1053 Advanced, ООО “Лазер-экспорт”) с длиной волны 1.053 мкм и длительностью импульсов 5.3 нс на частоте следования импульсов 1 кГц. Максимальная энергия в импульсе лазера накачки составляла 1 мДж, показатель качества пучка M2 < 1.4.

 

Рис. 1. Изображение схемы Z-сканирования: ОИ – изолятор Фарадея, λ/2 – полуволновая пластинка, Pol – призма Глана, L1 – линза с фокусным расстоянием f = 100 мм.

 

Использование аттенюатора, состоящего из полуволновой пластинки (λ/2) и поляризатора (Pol), позволяет плавно изменять уровень мощности и энергии излучения при неизменных пространственных параметрах луча и длительности импульсов лазера. Импульсы фокусировались в образец при помощи линзы с фокусным расстоянием f = 100 мм. При помощи метода ножа Фуко была измерена каустика пучка вдоль направления распространения излучения (рис. 2). Согласно стандарту для определения качества пучка, ISO 11146-1/2, результаты измерений диаметра пучка в различных сечениях вдоль трассы его распространения аппроксимируются гиперболической зависимостью. Исходя из полученных коэффициентов, можно вычислить расходимость, диаметр перетяжки и параметр М 2. Радиус пучка в перетяжке составил ω0 ≈ 103.5 мкм, длина Рэлея zR = 21.4 мм, а М 2 = 1.4.

 

Рис. 2. Зависимость диаметра луча от расстояния от линзы, измеренная методом ножа Фуко.

 

Пластина тестируемого образца располагалась в держателе, размещенном на моторизированной линейной подвижке с датчиком угла поворота с шагом 0.01 мм и диапазоном перемещения 150 мм. Шаговый двигатель линейной подвижки управлялся при помощи специально разработанного контроллера, подключенного к персональному компьютеру. Для одновременного измерения методом открытой и закрытой диафрагмы за образцом было помещено полупрозрачное зеркало, пропускающее примерно 64% излучения в приемник с диафрагмой и отражающее примерно 36% во второй приемник. На заднюю сторону зеркала нанесено просветляющее покрытие для излучения лазера. Далее излучение, прошедшее через зеркало и отраженное от него, регистрировалось при помощи двух детекторов PE10-C Ophir, также подключенных к ПК. Для схемы с закрытой диафрагмой пропускание апертуры S, определяемое как отношение энергии импульса, проходящего через апертуру, к полной энергии входного импульса, составляло 0.4. Было разработано программное обеспечение, записывающее зависимость детектируемого сигнала от положения линейной подвижки. Далее в программе происходит нормировка сигналов. В случае наличия двухфотонного поглощения тестируемой пластинки необходимо нормированное пропускание образца, записанное при помощи метода с закрытой диафрагмой, разделить на нормированное пропускание, записанное при помощи метода открытой диафрагмы. Одновременная запись обоими методами позволяет минимизировать влияние дрейфа уровня энергии излучения лазера.

В тестируемой пластинке ZnSe двухфотонное поглощение не выявлено, что хорошо согласуется с литературными данными при близкой длине волне. На рис. 3 показана измеренная зависимость нормированного пропускания от положения образца, записанная при частоте повторения лазера 1 кГц и интенсивности излучения в перетяжке (измерено без образца), равной 392 МВт/см2.

 

Рис. 3. Нормированное пропускание тестовой пластинки ZnSe, записанное методом Z-сканирования с закрытой апертурой при частоте повторения лазера 1 кГц и интенсивности в перетяжке 392 МВт/см2.

 

Для того чтобы найти аксиальный фазовый сдвиг в фокусе ∆Φ0, а затем по формуле (5) и n2, мы должны аппроксимировать экспериментальные данные функцией, описываемой формулой (4). Также для этого можно использовать выражение (7), связывающее ∆Φ0 с разницей между нормированными коэффициентами пропускания пика и впадины. Стоит отметить, что для интерпретации полученной зависимости мы можем использовать несколько способов. Вопервых, при аппроксимации данных можно использовать значение длины Рэлея zR, определенное при измерении каустики луча после прохождения через линзу L1 с учетом коэффициента распространения пучка M 2 = 1.5 (рис. 2). Также можно оценить длину Рэлея, исходя из предположения, что используемый пучок имеет практически гауссово распределение интенсивности в поперечном сечении, т. е. задать коэффициент M 2 равным единице, и использовать соответствующее значение zR. Другой подход − варьировать все параметры функции аппроксимации для лучшего совпадения с экспериментальной кривой. В табл. 1 показаны полученные значения для zR, ∆Φ0 и n2, определенные описанными способами. Как следует из таблицы, нелинейный показатель преломления n2 при частоте следования импульсов 1 кГц и пиковой интенсивностью 392 МВт/см2, определенный тремя способами, лежит в диапазоне от 1.63 ∙ 10-14 до 1.79 ∙ 10-14 см2/Вт, что хорошо согласуется с литературными данными [16, 17].

 

Таблица 1. Значения соответствующих параметров аппроксимирующей функции, полученные с помощью различных процедур подбора

 

M 2 = 1.5

M 2 = 1

Все параметры подогнаны

zR, мм

21.4 (фиксированный)

32 (фиксированный)

26.96 ± 1.28

0

0.0913 ± 0.0034

0.083 ± 0.003

0.087 ± 0.003

n2, см2/Вт

(1.79 ± 0.07) ∙ 10-14

(1.63 ± 0.06) ∙10-14

(1.71 ± 0.06) ∙ 10-14

n2, ед. СГСЭ

(1.06 ± 0.04) ∙ 10-11

(0.96 ± 0.04) ∙ 10-11

(1.01 ± 0.04) ∙10-11

n2, см2/Вт

TП-В

2.04 ∙ 10-14

1.85 ∙ 10-14

1.94 ∙ 10-14

 

4. Заключение

В статье представлена автоматическая схема метода Z-сканирования, которая была успешно применена для исследования нелинейно-оптических свойств поликристаллического окна из ZnSe. Результаты, полученные в этом эксперименте, демонстрируют высокую степень соответствия литературным данным, тем самым подтверждая эффективность и надежность предложенной схемы. Схема автоматического Z-сканирования предлагает значительные преимущества с точки зрения точности, воспроизводимости и эффективности, что делает ее ценным инструментом для исследователей, изучающих нелинейно-оптические свойства различных материалов. В дальнейшем разработанная схема будет использоваться для изучения нелинейных свойств новых кристаллов, в том числе и для параметрического взаимодействия. Это не только будет способствовать более точному прогнозированию изменения свойств материалов при взаимодействии с излучением высокой интенсивности, но и позволит разрабатывать надежные источники излучения среднего ИК-диапазона для различных приложений в области нелинейной оптики и фотоники.

Финансирование работы

Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (проект № 23-22-00368).

×

Sobre autores

Е. Ерушин

Новосибирский государственный университет; Институт лазерной физики Сибирского отделения Российской академии наук

Autor responsável pela correspondência
Email: render2012@yandex.ru
Rússia, 630090, Новосибирск, ул. Пирогова, 1; 630090, Новосибирск, просп. Академика Лаврентьева, 15Б

Н. Костюкова

Новосибирский государственный университет; Институт лазерной физики Сибирского отделения Российской академии наук

Email: n.duhovnikova@gmail.com
Rússia, 630090, Новосибирск, ул. Пирогова, 1; 630090, Новосибирск, просп. Академика Лаврентьева, 15Б

A. Бойко

Новосибирский государственный университет; Институт лазерной физики Сибирского отделения Российской академии наук

Email: baa.nsk@gmail.com
Rússia, 630090, Новосибирск, ул. Пирогова, 1; 630090, Новосибирск, просп. Академика Лаврентьева, 15Б

И. Мирошниченко

Институт лазерной физики Сибирского отделения Российской академии наук

Email: render2012@yandex.ru
Rússia, 630090, Новосибирск, просп. Академика Лаврентьева, 15Б

Д. Вербоватый

Институт лазерной физики Сибирского отделения Российской академии наук

Email: render2012@yandex.ru
Rússia, 630090, Новосибирск, просп. Академика Лаврентьева, 15Б

A. Кирьякова

Новосибирский государственный университет

Email: render2012@yandex.ru
Rússia, 630090, Новосибирск, ул. Пирогова, 1

Bibliografia

  1. Yao C., Zhang Y., Sun W., Yu C., Li J., and Yuan P. // Opt. Exp. 2013. V. 21 P. 2212. https://doi.org/10.1364/OE.21.002212
  2. He G. S., Zhu J., Baev A., Samoc M., Frattarelli D.L., Watanabe N., Facchetti A., Agren H., Marks T.J., Prasad P. N. // J. Am. Chem. Soc. 2011. V. 133. № 17. P. 6675. https://doi.org/10.1021/ja1113112
  3. Dinu M., Quochi F., Garcia H. // Appl. Phys. Lett. 2003. V. 82 P. 2954. https://doi.org/10.1063/1.1571665
  4. Knight J.C., Skryabin D. V. // Opt. Exp. 2007. V. 15 P. 15365. https://doi.org/10.1364/OE.15.015365
  5. Nabeshima C.T., Alves S.I.P., Neto A.M.F., Silva F.R.O., Samad R.E., Courrol L.C. // Front. Opt. 2016. P. JTh2A.132. https://doi.org/10.1364/FIO.2016.JTh2A.132
  6. Ganeev R.A., Kulagin I.A., Ryasnyansky A.I., Tugushev R.I., Usmanov T. // Opt. Comm. 2004. V. 229 P. 403. http://doi.org/10.1016/j.optcom.2003.10.046
  7. Cotter D., Ironside C.N., Ainslie B.J., Girdlestone H.P. // Opt. Lett. 1989. V. 14. P. 317. https://doi.org/10.1364/OL.14.000317
  8. Friberg S.R., Smith P.W. // IEEE J. Quantum Electron. 1987. V. 23. P. 2089. https://doi.org/10.1109/JQE.1987.1073278
  9. Adair R., Chase L.L., Payne S.A. // J. Opt. Soc. Am. B. 1987. V. 4. P. 875. https://doi.org/10.1364/JOSAB.4.000875
  10. Owyoung A. // IEEE J. Quantum Electron. 1973. V. 9. P. 1064. https://doi.org/10.1109/JQE.1973.1077417
  11. Пиццоферрато Р., Мартелуччи С., Маринелли М., Замит Ю., Скудери Ф., Романьоли М. // КЭ. 1989. Т. 16. С. 2237. https://doi.org/10.1070/QE1989v019n11ABEH009564
  12. Williams W.E., Soileau M.J., Van Stryland E.W. // Opt. Comm. 1984. V. 50. P. 256. https://doi.org/10.1016/0030-4018(84)90328-6
  13. Sheik-bahae M., Said A.A., Van Stryland E.W. // Opt. Lett. 1989. V. 14. P. 955. https://doi.org/10.1364/OL.14.000955
  14. Antony A., Pramodini S., Poornesh P., Kityk I.V., Fedorchuk A.O., Sanjeev G. // Opt. Mater. 2016. V. 62 P. 64. https://doi.org/10.1016/j.optmat.2016.09.053
  15. Chapple P.B., Staromlynska J., Hermann J.A., Mckay T.J., Mcduff R.G. // J. Nonlinear Opt. Phys. Mater. 1997. V. 6. № 3. P. 251 https://doi.org/10.1142/S0218863597000204f
  16. Said A.A., Sheik-Bahae M., Hagan D.J., Wei T.H., Wang J., Young J., Van Stryland E. W. // J. Opt. Soc. Am. B. 1992. V. 9. № 3. P. 405. https://doi.org/10.1364/JOSAB.9.000405
  17. Durand M., Houard A., Lim K., Durécu A., Vasseur O., Richardson M. // Opt. Exp. 2014. V. 22. № 5. P. 5852. https://doi.org/10.1364/OE.22.005852

Arquivos suplementares

Arquivos suplementares
Ação
1. JATS XML
2. Fig. 1. Image of the Z-scan scheme: FI – Faraday isolator, λ/2 – half-wave plate, Pol – Glan prism, L1 – lens with focal length f = 100 mm.

Baixar (229KB)
3. Fig. 2. Dependence of the beam diameter on the distance from the lens, measured by the Foucault knife method.

Baixar (119KB)
4. Fig. 3. Normalized transmission of the ZnSe test plate, recorded by the Z-scan method with a closed aperture at a laser repetition rate of 1 kHz and a waist intensity of 392 MW/cm2.

Baixar (184KB)

Declaração de direitos autorais © Russian Academy of Sciences, 2024

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».