В МФТИ предложили новый метод, повышающий эффективность работы лазеров

Изображение: (cc) Lesless
Лабораторный корпус МФТИ
Лабораторный корпус МФТИ
Лабораторный корпус МФТИ

Новый метод для стабилизации температуры нелинейно-оптических кристаллов, применяемых в лазерах для изменения длины волны излучения, разработали ученые из Московского физико-технического института (МФТИ) совместно с коллегами из Института радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН, 28 марта пишет журнал МФТИ «За науку».

Контроль температуры кристалла предложенным учеными МФТИ способом позволил увеличить выходную мощность преобразованного этим кристаллом излучения лазера. Результаты исследования метода ученые представили в статье «Эквивалентная температурная стабилизация нелинейно-оптических кристаллов», опубликованной в журнале Optics Letters.

Нелинейно-оптические кристаллы используются в некоторых лазерах для изменения частоты светового излучения. При прохождении через такой кристалл у света может генерироваться вторая гармоника, т. е. световая волна с частотой, удвоенной относительно начальной. Такое преобразование требует, чтобы температура кристалла сохранялась в узком диапазоне значений, зависящем от мощности излучения лазера.

Термостат хорошо справляется с этой задачей, но при больших мощностях возникает проблема теплового самовоздействия — излучение, генерируемое внутри кристалла, вызывает локальный перегрев, и эффективность преобразования значительно ухудшается.

Новый метод контроля температуры кристалла, предложенный в МФТИ, основан на воздействии переменного электрического поля. Поскольку нелинейно-оптические кристаллы являются пьезоэлектриками, то под влиянием приложенного напряжения они деформируются, а деформации, в свою очередь, наводят электрический заряд на гранях кристалла.

Когда частота внешнего электрического поля совпадает с частотой одной из акустических мод кристалла, возникает резонанс, частота которого обычно линейно зависит от средней температуры кристалла. То есть по изменению резонансной частоты кристалла можно судить об изменении его средней температуры.

По быстроте и надежности этот метод измерения температуры значительно превосходит использование для тех же целей температурного датчика, который измеряет лишь температуру на поверхности кристалла.

Физики МФТИ для исследования эффективности нового метода собрали специальную установку, позволившую сравнить этот метод контроля температуры и традиционный. Они сравнивали зависимости мощности второй гармоники от температуры кристалла для обоих способов ее стабилизации.

Установка представляла собой лазер, его инфракрасное излучение фокусировалось внутри нелинейно-оптического кристалла ниобата лития (PPLN). Пройдя через кристалл, луч теперь содержал изначальное ИК-излучение и новую зеленую компоненту с вдвое большей частотой, которые на выходе разделялись дихроичным зеркалом.

К кристаллу сверху и снизу были прикреплены медные пластины, через которые его нагревали до рабочей температуры, составляющей 60–70 °C. К ним подсоединялись температурные датчики.

Разные выходные уровни мощности лазера требуют подстройки температуры кристалла так, чтобы мощность второй гармоники была максимальной. И при использовании стандартного метода настройки увеличение мощности лазера требовало значительного изменения оптимальной температуры.

Новый же метод почти не требовал подстройки температуры, и при проведении длительных измерений мощность второй гармоники практически сохранялась.

«При использовании обычного метода температурной стабилизации мы не можем получить долгосрочную стабильную генерацию второй гармоники выше определенного уровня мощности накачки. При применении предложенного нами метода мы можем эту большую мощность получить», — отметил аспирант кафедры фотоники МФТИ Кирилл Зотов.

Он рассказал, что в планах исследователей проверка работоспособности этой методики на других кристаллах и при других видах преобразования. Однако необходимо решить еще одну проблему: чтобы использовать кристалл в установке, его нужно там зафиксировать, но при этом ухудшается добротность резонанса, поэтому нужно найти какое-то нетривиальное решение.