1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Кристаллография
  4. T. 64, № 5, 2019

Кристаллография, 2019, T. 64, № 5, стр. 754-756

Тетрагональный силикат Ca2Ga2SiO7 – новый ВКР-активный кристалл

А. А. Каминский 1, *

1 Институт кристаллографии им. А.В. Шубникова ФНИЦ “Кристаллография и фотоника” РАН
Москва, Россия

* E-mail: kaminalex@mail.ru

Поступила в редакцию 21.03.2019
После доработки 21.03.2019
Принята к публикации 22.04.2019

Полный текст (PDF)

Аннотация

Сообщается о новом ВКР-активном кристалле Ca2Ga2SiO7 и его стационарной стоксовой и антистоксовой χ(3)-нелинейной генерации в видимом диапазоне длин волн и о перспективах его использования в само-ВКР лазерных конвертерах.

Кристаллы с разупорядоченной $D_{{{\text{2}}d}}^{3}$-тетрагональной структурой “мелилита”11 привлекают внимание исследователей более 50 лет (начиная c Ba2ZnGe2O7 : Nd3+ [1]) как материалы-основы для Ln3+-лазант-ионов [2, 3]. Среди них Nd3+-содержащие лазерные силикаты Ca2MgSi2O7 [4] и Ca2Ga2SiO7 [5], для которых наиболее изучены генерационные возможности и оценен прикладной потенциал. В частности, на основе кристаллов Ca2Ga2SiO7 : Nd3+ созданы лазеры, излучающие в одномикронном диапазоне длин волн (межмультиплетный переход 4F3/2 → 4I11/2) в режимах генерации: пикосекундном [6], импульсном с ламповой накачкой с многоджоульной выходной энергией [7], непрерывном с диодно-лазерной накачкой [8] и др. Перечисленные результаты мотивировали постановку настоящего исследования по расширению арсенала лазерных прикладных возможностей титульного кристалла, используя опыт современной физики вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР) кристаллов (например, [9]). В работе открыт эффект χ(3)-нелинейного лазинга в $D_{{{\text{2}}d}}^{3}$-тетрагональном кальций-галлиевом силикате и изучены его спектры стоксовой и антистоксовой генерации, возбужденной в видимом диапазоне длин волн.

Исследования по обнаружению ВКР в кристалле Ca2Ga2SiO7 проведены в условиях стационарного возбуждения его χ(3)-нелинейного лазинга импульсами длительностью τв ≈ 60 пс второй гармоники (λв = 0.53207 мкм) излучения основного канала генерации 4F3/2 → 4I11/2 (λ = 1.06415 мкм) пикосекундного Nd3+ : Y3Al5O12-лазера.

Использована безрезонаторная (однопроходная) схема эксперимента с ориентированными образцами в виде брусков сантиметрового размера без просветляющего покрытия их плоскопараллельных торцов. Некоторые кристаллофизические свойства исследуемого кристалла приведены в табл. 1.

Таблица 1.  

Кристалл-основа Ca2Ga2SiO7 для Nd3+-лазант-ионов

Пр. гр. [5] $D_{{{\text{2}}d}}^{3}$, P$\bar {4}$21m (№ 113)
a = b, с, Å [5, 10] 7.793(3), 5.132(2)
Тпл, оС [5, 11] ~1465
Оптическая прозрачность, мкм [12] ~0.25–5.5
Нелинейность χ(2) + χ(3)
Показатели преломления [12]* $n_{{o{\text{,}}e}}^{2}$ = 1 + (ko,eλ2)/(λ2 – $\lambda _{{o{\text{,}}e}}^{2}$)
Нелинейный показатель преломления, м2/Вт [13] n2 = (6.5 ± 1) × 10–24
Протяженность фононного спектра, см-1 [14] ~880
Обнаруженные ВКР-активные колебательные моды, см–1 ωВКР1 ≈ 720, ωВКР2 ≈ 550

* Здесь ko = 1.89028, ke = 1.85839 и no = 0.12268, ne = 0.11843 (λ, λo,e в мкм).

Спектральные измерения проводили на дифракционном монохроматоре (Mc-Pherson-218) с линейным Si-CCD-детектором (Hamamatsu-Photonics S3923-1024Q). Два из полученных с их помощью спектров, показанных на рисунке 1, четко иллюстрируют две обнаруженные ВКР-промоутирующие фононные моды ωВКР1 ≈ 720 см–1 и ωВКР2 ≈ 550 см–1 исследуемого кристалла. Результаты идентификаций линий генерации этих спектров представлены в табл. 2.

Рис. 1.

Спектры стационарной χ(3)-нелинейной генерации тетрагонального кристалла Ca2Ga2SiO7, зарегистрированные в условиях геометрии их возбуждения b(a, a)b (а) и а(с, с)а (б) излучением (λв = 0.53207 мкм) второй гармоники Nd3+ : Y3Al5O12 пикосекундного лазера. Длины волн стоксовых и антистоксовых линий (линии возбуждения отмечены звездочкой) даны в мкм. Спектральные эквидистантные зазоры между линиями указаны связующими скобками и обозначены ВКР-активными фононными модами ωВКР1 ≈ 720 см–1 и ωВКР3 ≈ 550 см–1.

Таблица 2.  

Спектральный состав χ(3)-нелинейного лазинга $D_{{{\text{2}}d}}^{3}$-тетрагонального кристалла Ca2Ga2SiO7

Геометрия возбуждения* Стоксов (St) и антистоксов (ASt) χ(3)-лазинг ВКР-активные фононные моды, см–1
Длина волны, мкм** Линия генерации Процесс χ(3)-лазинга*** ωВКР1 ωВКР2
b(a, a)b
(рисунок а) 		0.5027 ASt2–2 ωв + 2ωВКР2 = ωASt2–2   ~550
0.5170 ASt1–2 ωв + ωВКР2 = ωASt1–2   ~550
0.53207 λв ωв  
0.5481 St1–2 ωв − ωВКР2 = ωSt1–2   ~550
0.5652 St2–2 ωв – 2ωВКР2 = ωSt2–2   ~550
а(с, с)а
(рисунок б) 		0.4942 ASt2–2 ωв + 2ωВКР1 = ωASt2–1 ~720  
0.5124 ASt1–1 ωв + ωВКР2 = ωASt1–1 ~720  
0.53207 λв ωв  
0.5533 St1–1 ωв – ωВКР1 = ωSt1–1 ~720  
0.5762 St2–1 ωв – 2ωВКР1 = ωSt2–1 ~720  

    * В обозначениях в скобках указаны направления поляризации (вдоль оси a или с) излучения возбуждения и χ(3)-нелинейной генерации, за скобками – направления лазерного возбуждения χ(3)-генерации.

  ** Точность измерения ±0.0003 мкм.

*** Схемы процессов приведены в сокращенной форме. Например, полная запись четырехволнового параметрического процесса антистоксова лазинга ASt1–1 с длиной волны λASt1–1 = 0.5124 мкм будет ωв + ωВКР2 = ωв + ωв – (ωв – ωВКР1)] = ωв + + ωв – ωSt1–1))] = ωSt1–1 (здесь в квадратных скобках указаны наиболее вероятные спектральные генерационные компоненты, обеспечивающие параметрический антистоксов χ(3)-лазинг).

Коротко о вибронной природе обнаруженных ВКР-промоутирующих фононных мод в титульном кристалле. Фактор-групповой анализ нормальных решеточных колебаний ряда кристаллов-“мелилитов”, в том числе силикатов (например, [16]), изоструктурных $D_{{{\text{2}}d}}^{3}$-тетрагональному Ca2Ga2SiO7, показал, что среди 69 их оптических мод ΓO(69) = 10A1 + 6A2 + 7B1 + 10B2 + 18E A1-моды могут принадлежать колебаниям их структурных групп Si2O7. По аналогии с результатами [16, 17] обнаруженные ВКР-моды изученного силиката ωВКР1 ≈ 720 см–1 можно идентифицировать c полносимметричным A1-колебанием νs(SiO3), а моды ωВКР2 ≈ 550 см–1 – с его мостиковым A1-колебанием νs(SiOSi). Таким образом, обнаружение χ(3)-нелинейного свойства в кристалле Ca2Ga2SiO7 придало ему статус многофункционального практического материала и открыло путь создания на его основе (Nd3+ : Ca2Ga2SiO7) само-ВКР лазерных конвертеров ближнего ИК-диапазона спектра.

Список литературы

  1. Alam M., Goen K.H., Di Bartolo B. et al. // J. Appl. Phys. 1968. V. 39. № 8. P. 4728.

  2. Kaminskii A.A. Crystalline Lasers: Physical Processes and Operating Schemes. Boca Raton, FL: CRC Press, 1996. 592 p.

  3. Weber M.J. Handbook of Laser Wavelengths. Boca Raton, FL: CRC Press, 2000. 784 p.

  4. Kaminskii A.A., Nakao H., Bohatý L. et al. // Laser Phys. Lett. 2010. V. 7. № 12. P. 876.

  5. Kaminskii A.A., Belokoneva E.L., Mill’ B.V. et al. // Phys. Status Solidi. A. 1986. V. 97. № 1. P. 279.

  6. Каминский A.A., Буташин А.В., Демчук М.И. и др. // Изв. АН СССР. Сер. неорган. материалы. 1988. Т. 24. № 12. С. 2075.

  7. Каминский А.А., Карасев В.А., Дубров В.Д. и др. // Квантовая электроника. 1992. Т. 19. № 2. С. 111.

  8. Kaminskii A.A., Verdun H.R., Mill B.V. // Phys. Status Solidi. A. 1992. V. 135. № 2. P. 112.

  9. Kaminskii A.A. // Laser Photonics Rev. 2007. V. 1. № 2. P. 93.

  10. Каминский А.А., Белоконева E.Л., Милль Б.В. и др. // Изв. АН СССР. Сер. неорган. материалы. 1986. Т. 22. № 7. С. 1138.

  11. Mayer H., Wittman A. // Monatsh. Chem. 1972. B. 108. № 2. S. 460.

  12. Каминский А.А., Карасев В.А., Дубров В.Д. и др. // Неорган. материалы. 1992. Т. 28. № 5. С. 1034.

  13. Burshtein Z., Kostoulas Y., van Driel M.M. // J. Opt. Soc. Am. B. 1997. V. 14. № 10. P. 2477.

  14. Sarkisov S.E., Kaminskii A.A., Butashin A.V. // Phys. Status Solidi. A. 1989. V. 113. № 2. P. 585.

  15. Kaminskii A.A., Bohatý L., Becker P. et al. // Laser Phys. Lett. 2008. V. 5. № 12. P. 845.

  16. Hanuza J., Ptak M., Maczka M. et al. // J. Solid State Chem. 2012. V. 191. № 2. P. 90.

  17. Kaminskii A.A., Rhee H., Lux O. et al. // Laser Phys. 2011. V. 8. № 12. P. 895.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Кристаллография

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал