Международная группа ученых с участием исследователей Дальневосточного федерального университета, ИАПУ ДВО РАН, научных организаций Новосибирска, а также исследователи из Испании, Германии и Китая разработала способ уменьшить потери света в кристаллах, которые используются в инфракрасных лазерах. Вместо привычного просветляющего покрытия, которое плохо держится и первым выходит из строя под мощным лучом, ученые перестроили поверхность самого кристалла: фемтосекундный лазер «отпечатал» на его торцах решетку из линий шириной 200–375 нанометров. Пропускание выросло с 65% до 80%.
Кристаллы BaGa₄Se₇ — сердце перестраиваемых инфракрасных лазеров. Они позволяют плавно менять длину волны излучения в широком диапазоне от 0,5 до 17 микрометров. Такие источники нужны спектроскопии и дистанционному зондированию: по «отпечатку» в инфракрасном спектре можно, например, определить состав газа в воздухе. Но у материала есть неудобное свойство — он сильно преломляет свет, а значит, сильно бликует.
Обычно с бликами борются просветляющими покрытиями — несколькими тончайшими слоями поверх кристалла. Но на BaGa₄Se₇ такой слой держится слабо и первым разрушается под мощной лазерной накачкой. Ученые предложили обойтись без него вовсе: ничего не наносить, а изменить сам кристалл.
Фемтосекундный лазер бьет по поверхности сверхкороткими импульсами — и дальше она «рисует» узор сама. Падающее излучение накладывается на волны, которые само же возбуждает на поверхности материала, и там, где волны усиливают друг друга, остается отпечаток. Так возникает регулярная нанорешетка. 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, пропускание в коротковолновом инфракрасном диапазоне (1–3 мкм) выросло с 65% до 80%.
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 соавтор исследования, доцент Базовой кафедры фотоники и цифровых лазерных технологий Политехнического института ДВФУ Станислав Гурбатов.
Дополнительно ученые испытали мягкий лазерный отжиг, который помогает удалить с поверхности продукты обработки, формирующиеся в процессе записи решеток, и усилить просветляющий эффект. Разработка открывает путь к повышению эффективности оптических параметрических генераторов, усилителей и других устройств, где используются инфракрасные нелинейные кристаллы.
Результаты опубликованы в журнале Applied Surface Science.
Изображение: Дальневосточный федеральный университет
Источник: Минобрнауки России
