|
DIRECTOR DE
PROIECT: Dr.
Lucian Marian GHEORGHE
PROJECT
MANAGER: Dr.
Lucian Marian GHEORGHE
Email:
lucian.gheorghe@inflpr.ro,
lucian_gheorghe@yahoo.com
DURATA
PROIECTULUI: 2008 - 2011
CONDUCATOR
PROIECT: INSTITUTUL
NATIONAL DE CERCETARE-DEZVOLTARE PENTRU FIZICA LASERILOR,
PLASMEI SI RADIATIEI INFLPR DIN BUCURESTI
OBIECTIVE
I. Noi
materiale neliniare cu caracteristici performante si controlabile
pentru
obtinerea de radiatii laser in albastru - violet prin procese de SHG a
emisiilor laserilor cu
Nd3+ si a
diodelor AlGaAs
I.1
Determinarea limitelor de existenta a solutiilor solide Gd1-xRxCa4O(BO3)3
R = (Sc, Lu), cresterea
cristalelor Gd1-xRxCa4O(BO3)3.
I.2
Determinarea proprietatilor nelineare caracteristice.
I.3
Cercetari privind generarea eficienta de radiatie laser in albastru -
violet prin procese de SHG in NCPM in cristalele nelineare de tip Gd1-xRxCa4O(BO3)3
(R = Sc sau Lu).
Cresterea
cristalelor de Gd1-xRxCa4O(BO3)3
dopate cu Nd3+ si caracterizarea proprietatilor
nelineare si
spectroscopice.
II. Noi
medii active
laser nelineare cu emisie eficienta in albastru prin procese de
autodublare de
frecventa
II.1 Cercetari privind optimizarea
emisiei laser la ~936 nm a cristalelor a
cristalelor Gd1-x-yRxNdyCa4O(BO3)3
(R = Sc sau Lu). Investigatii privind generarea
eficienta de radiatie laser
in albastru (~ 468 nm) prin procese de SFD in NCPM
a emisiei la ~ 936 nm a cristalelor Gd1-x-yRxNdyCa4O(BO3)3
(R = Sc sau Lu), in conditii de NCPM la temperatura camerei.
OBJECTIVES
I. New
nonlinear materials with performing and
controllable characteristics for the obtaining of blue - violet laser
radiations by SHG processes of Nd3+ lasers
emissions and AlGaAs
laser diodes.
I.1
Determination of the solubility limits of Gd1-xRxCa4O(BO3)3,
R = (Sc, Lu) solid solutions, growth of Gd1-xRxCa4O(BO3)3
crystals.
I.2
Determination of the nonlinear characteristics properties.
I.3
Researches concerning the efficient generation of blue - violet laser
radiation by NCPM SHG generation processes in Gd1-xRxCa4O(BO3)3
(R = Sc or Lu) nonlinear crystals.
Growth of Nd3+
doped Gd1-xRxCa4O(BO3)3
crystals and nonlinear and spectroscopic properties characterization.
II.
New
nonlinear laser active medias with blue efficient emission by frequency
self
doubling processes
II.1
Researches concerning the
optimization of Gd1-x-yRxNdyCa4O(BO3)3
(R = Sc sau Lu) crystals laser emission at
~936 nm. Investigation regarding the efficient blue (~ 468 nm)
laser emission
by SFD processes in NCPM conditions of Gd1-x-yRxNdyCa4O(BO3)3
crystals emission around 936 nm at room temperature.
REZULTATE
2009
Etapa
intermediara I.1:
Determinarea limitelor de
existenta a solutiilor solide Gd1-xRxCa4O(BO3)3
R = (Sc, Lu), cresterea cristalelor Gd1-xRxCa4O(BO3)3.
Activitati
-
Sintetizarea prin reactie in stare
solida a diferiti compusi de tip Gd1-xScxCa4O(BO3)3
(GdScCOB) si Gd1-xLuxCa4O(BO3)3
(GdLuCOB) cu parametru compozitional x variat.
Au
fost sintetizati prin reactie in
stare solida diversi compusi policristalini de tipul Gd1-xRxCOB
(R = Lu sau Sc) cu parametrul compozitional 0 ≤ x ≤ 1.
-
Caracterizarea prin experimente de
difractie de raxe X si analiza termica diferentiala (ATD) a compusilor
obtinuti.
-
Determinarea limitelor de
existenta a solutiilor solide GdScCOB
si GdLuCOB si
identificarea posibilelor faze parazite.
Pe
baza experimentelor de difractie de
raze X si ATD au fost stabilite limitele de solubilitate ale ionilor R3+
in compusii GdCOB ca fiind: 7%
in cazul compusilor Gd1-xScxCa4O(BO3)3
si 23% pentru compusii Gd1-xLuxCa4O(BO3)3.
-
Determinarea
conditiilor optime de crestere si cresterea prin metoda Czochralski a
unor
monocristale test Gd1-xRxCa4O(BO3)3
(R = Sc, Lu) cu compozitii in domeniile de
congruenta
anterior stabilite.
Au
fost crescute cu succes diverse
monocristale Gd1-xRxCa4O(BO3)3
(R = Sc, Lu) test de calitate optica buna, stabile din punct de vedere
chimic,
ne-higroscopice si cu
proprietati mecanice bune.
Etapa
finala I.2:
Determinarea
proprietatilor nelineare caracteristice.
Activitati
-
Analiza proprietatilor structurale si
nelineare ale cristalelor crescute si determinarea evolutiei
parametrilor
nelineari functie de compozitia cristalelor (in special a valorilor
lungimilor
de unda ale caror frecvente pot fi dublate in conditii de NCPM).
Au fost determinate curbele de dispersie ale
indicilor
de refractie masurati experimental, iar pe baza acestora au fost apoi
determinate valorile
coeficientilor A, B, C si D ai
ecuatiilor Sellmeier corespunzatoare fiecarui cristal crescut. Au fost trasate curbele de acord de
faza pentru generarea
armonicii a doua in fiecare cristal, pentru directii ale radiatiei
fundamentale in fiecare dintre cele trei plane principale (XY, YZ si
ZX). Au
fost determinate valorile lungimilor de unda a caror armonica a doua
este
generata in cazurile particulare
θ si φ egale cu 00 (NCPM de-a lungul axei Z) sau
900
(NCPM de-a lungul axei Z), caracteristice fiecarui cristal. Au fost
determinate
experimental valorile lungimilor de unda ale
caror frecvente sunt dublate in lungul directiilor Y si Z (in conditii
de NCPM)
precum si dupa directii in jurul acestora, obtinindu-se un acord foarte
bun
intre valorile calculate si
cele determinate experimental.
2010
Etapa
unica I.3:
Cercetari
privind generarea eficienta de radiatie laser in albastru - violet prin
procese
de SHG in NCPM in cristalele nelineare de tip Gd1-xRxCa4O(BO3)3
(R = Sc sau Lu). Cresterea cristalelor de Gd1-xRxCa4O(BO3)3
dopate cu Nd3+ si caracterizarea proprietatilor
nelineare si
spectroscopice.
Activitati
-
Cresterea
cristalelor Gd1-xRxCa4O(BO3)3
cu compozitii adecvate pentru dublarea in NCPM a frecventei unor emisii
laser
specifice din i.r. apropiat.
Pe
baza rezultatelor anterior
stabilite, cinci cristale nelineare noi cu compozitiile chimice Gd0.93Lu0.07Ca4O(BO3)3,
Gd0.884Lu0.116Ca4O(BO3)3,
Gd0.87Lu0.13Ca4O(BO3)3,
Gd0.952Sc0.048Ca4O(BO3)3
si Gd0.96Sc0.04Ca4O(BO3)3, au fost crescute din topitura prin
metoda Czochralski.
Cristalele obtinute au dimensiuni mari (diametru de ~ 25 mm
si lungimi
de
aproximativ 120 mm) si calitate optica foarte buna.
- Teste laser de dublare in NCPM
a frecventei emisiilor
laser fundamentale specifice din i.r. apropiat.
Au fost determinate
proprietatile nelineare specifice cristalelor obtinute si a fost pusa
in
evidenta capabilitatea acestora de generare a armonicii a doua (SHG) in
conditii de acord de
faza necritic (NCPM) a emisiilor laser
fundamentale la 800
nm, 930 nm si 946 nm specifice diodelor laser AlGaAs, laserilor Nd: YAP
(Nd:
YAlO3) si respectiv Nd: YAG (Nd: Y3Al5O12).
- Cresterea cristalelor
Gd1-xRxCa4O(BO3)3
dopate cu Nd3+, cu compozitii prestabilite (pe
baza rezultatelor din
etapa finala 2009).
Cristale test (cu dimensiuni
reduse) de tip Gd1-xRxCa4O(BO3)3
dopate cu ioni Nd3+ in diverse concentratii au
fost crescute din
topitura prin metoda Czochralski.
- Masuratori spectrale
de inalta rezolutie, determinarea proprietatilor
nelineare si evaluarea modificarilor induse prin co-doparea cu ioni Nd3+.
Au fost evaluate proprietatilor
spectroscopice si nelineare caracteristice cristalelor test crescute.
- Cresterea
cristalelor Gd1-x-yRxNdyCa4O(BO3)3
cu compozitii optime pentru autodublarea (SFD) la temperatura camerei
in
conditii de NCPM a frecventei de emisie laser la 936 nm.
Pe baza rezultatelor obtinute in
cadrul activitatii nr. 4, au fost crescute
doua cristale laser si nelineare noi cu compozitiile Gd0.84Lu0.11Nd0.05Ca4O(BO3)3
si Gd0.92Sc0.02Nd0.06Ca4O(BO3)3.
Pentru o directie de propagare a radiatiei de pompaj in planul ZX al
probelor
obtinute din cele doua cristale, experimentele laser realizate au
permis obtinerea
de emisie laser la 1061 nm polarizata paralel cu axa Y a cristalelor,
contrar
cristalelor GdCa4O(BO3)3
dopate cu ioni Nd3+
(GdCOB: Nd) care permit obtinerea de emisii
laser polarizate paralel cu
axa X. Obtinerea emisiei
laser Y polarizata in infrarosul apropiat,
constituie un rezultat deosebit de important deoarece deschide noi
perspective
privind
procesele de autodublaj de frecventa (SFD) in cristalele laser
si
nelineare actual cunoscute dopate cu ioni Nd3+,
derivate din
matricea GdCOB. Astfel, va fi stimulata reevaluarea tuturor
studiilor
privind
autodublajul de frecventa al emisiei la 1061 nm a cristalelor din
familia GdCOB
dopate cu ioni Nd3+, de data aceasta in planul
ZX, plan care
prezinta o nelinearitate de
aproximativ 3 ori mai mare decat planul XY
(configuratie
actual adoptata pentru autodublajul in cristalele Nd: GdCOB). In aceste
conditii, ca urmare a variatiei direct proportionale
a randamentului de
conversie cu patratul coeficientului nelinear efectiv, apriori,
randamentul de
conversie va fi de aproximativ 9 ori mai mare.
2011
Etapa unica II.1: Cercetari privind
optimizarea emisiei laser la ~ 936 nm a cristalelor Gd1-x-yRxNdyCa4O(BO3)3
(R = Sc sau Lu). Investigatii
privind generarea eficienta de radiatie laser
in albastru (~ 468 nm) prin
procese de SFD a emisiei la ~ 936 nm, in conditii de NCPM la
temperatura
camerei.
Activitati:
- Studii privind emisia laser
la ~ 936nm in corelatie cu datele spectrale obtinute si conditiile de
pompaj.
Pentru a obtine
informatii privind simetria locala a diversilor posibili centrii
neechivalenti
ai ionilor Nd3+ in cele doua cristale, au fost
realizate masuratori
spectroscopice de absorbtie optica
de inalta rezolutie (0,3 cm-1) in
lumina polarizata, la temperatura camerei si la 10 K. Intensitatile
tranzitiilor f-f ale ionilor Nd3+
dopati in cristalele Gd0.84Lu0.11Nd0.05Ca4O(BO3)3
(Nd: GdLuCOB) si respectiv Gd0.92Sc0.02Nd0.06Ca4O(BO3)3
(Nd: GdScCOB) au fost tratate folosind teoria Judd-Ofelt (J-O).
- Studii privind optimizarea
lungimii probelor cristaline (in scopul evitarii reabsorbtiei emisiei
la ~
936nm).
Lungimea cristalelor
trebuie optimizata astfel incat sa se evite reabsorbtia la lungimea de
unda
fundamentala (936nm) dar totodata sa permita o buna absorbtie la
lungimea de
unda
de pompaj. Asadar, lungimea optima a cristalului este rezultatul unui
compromis intre reabsorbtia la lungimea de unda fundamentala si
absorbtia la
lungimea de unda de pompaj.
Totodata, alegerea oglinzilor cavitatii laser
trebuie facuta tinand cont ca ele trebuie sa aiba o reflectivitate
maximala in
domeniul 925-940 nm (> 99,9%) si o transmisie sporita in domeniul
1050-1070nm (> 40%, pentru a se evite efectul laser la 1061 nm)
si in jur de
811 nm (lungimea de unda de pompaj, pentru a se asigura o absorbtie
buna a
radiatiei de pompaj).
- Realizarea de probe
monocristaline orientate si tratate antireflex.
Ca urmare a
proprietatilor mecanice bune ale cristalelor Nd: GdLuCOB si Nd: Gd:
ScCOB ce
permit taierea si polisarea cu usurinta a acestora, diverse probe
monocristaline
paralelipipedice sau cubice cu dimensiuni cuprinse intre 2 si 20
mm au fost orientate in axele cristalofizice prin metode conoscopice
si/sau de
difractie de raze X, taiate si slefuite
cu calitate optica foarte buna.
- Teste laser privind
obtinerea emisiei in albastru (~ 468 nm), prin procese de SFD la
temperatura
camerei in NCPM, functie de pompaj, rezonator, etc.
Primele investigatii laser au constat in obtinerea
de
emisii laser la 936 nm. In cazul cristalului Nd: GdLuCOB s-a obtinut un maxim de 95
µJ la 936 nm iar in cazul cristalului Nd:
GdScCOB
un maxim de 80 µJ la aceeasi lungime de
unda. Ambele maxime au fost limitate de deteriorarea optica indusa de
fasciculul de pompaj in cristale. In ambele cazuri pragul de oscilatie
laser
corespunde unei energii de pompaj absorbite de ~ 3,5 mJ iar emisiile
laser
obtinute sunt Y polarizate asa cum era de asteptat din investigatiile
spectroscopice. In urma acestor
rezultate
putem concluziona ca insertia ionilor mici Lu3+
si/sau Sc3+
in matricea cristalelor Nd: GdCa4O(BO3)3
determina obtinerea de emisii laser Y polarizate. Testele laser efectuate in
continuare au permis obtinerea pentru prima data de emisii laser la 468 nm prin
procese de SFD in
conditii de NCPM. Astfel, s-a obtinut 295 µJ
la 468 nm in cazul cristalulu
Nd:GdLuCOB si respectiv 295 µJ la aceeasi lungime de unda in cazul
cristalului Nd: GdScCOB, pentru o energie de pompaj absorbita
de ~ 5 mJ. Durata
pulsurilor obtinute a fost de
~250 ns (FWHM) iar profilul pick-urilor de
emisie in albastru este Gaussian.
Lucrari publicate
in reviste ISI
1.
L. Gheorghe, P. Loiseau, G. Aka, “Four
hundred nanometer blue-violet light production by type-I noncritical
phase-matching second-harmonic generation in Gd1-xRxCa4O(BO3)3
(R = Lu, Sc): Crystal growth and nonlinear characterization”, Optical
Materials,
32
(10),
1283-1285, 2010.
2.
L. Gheorghe, P. Loiseau, G. Aka, “Second-harmonic generation of 400
nm blue-violet light in Gd1-xRxCa4O(BO3)3
(R = Lu, Sc) crystals through noncritical phase-matching”,
Journal of
Optoelectronics and Advanced Materials,
12 (4), 821-823, 2010.
3.
L. Gheorghe, G. Aka, “Crystal
growth, NCPM second harmonic generation, and infrared laser performance
for SFD
in Gd1-x-yRxNdyCa4O(BO3)3
(R = Sc or Lu) crystals”,
Optoelectronics
and Advanced Materials – Rapid
Communications,
Vol. 4, nr. 12
(decembrie 2010).
4. A.
Achim, L. Gheorghe, S. Georgescu,
F. Voicu, “Growth
and characterization of Y0.7Sc0.3Ca4O(BO3)3
single crystal for nonlinear optical
applications”,
Optoelectronics and Advanced
Materials – Rapid Communications, Vol. 4, nr. 12
(decembrie 2010).
5.
C. Gheorghe and L. Gheorghe, “Spectroscopic analysis and laser
performance at 1.06 µm of Nd3+ doped Gd1−xLuxCa4O(BO3)3
single crystal”,
accepted to be published in Journal of Applied of Physics.
6.
L. Gheorghe and C. Gheorghe, “Judd-Ofelt
analysis and laser
investigations of Nd3+-doped Gd1−xScxCa4O(BO3)3
single crystal”,
accepted
to be published in Journal Optoelectronics
and Advanced Materials
Lucrari publicate
in reviste indexate in baze de date internationale
1.
L. Gheorghe, A. Achim, P. Loiseau, and G. Aka, ”New nonlinear Gd1-xRxCa4O(BO3)3
(R = Lu, Sc) crystals for 400nm blue-violet light generation by type-I
noncritical phase-matching
frequency doubling processes”, Proceedings SPIE 7469,
746904 (2009), 6 pages.
2. L.
Gheorghe, A. Achim, and F. Voicu, “ A new nonlinear optical (NLO)
crystal
for visible and ultraviolet (UV) regions”,
accepted
to be published in AIP (American Institute of Physics) Proceedings
Series.
3.
A. Achim, L. Gheorghe, F. Voicu, and L. Chircus,
“Second harmonic generation of blus light in new nonlinear optical
crystal of Y1−xRxCa4O(BO3)3
through
noncritical phase matching”,
accepted to be published in Annals
of the West University of Timisoara, Physics Series.
Comunicari la
conferinte internationale
1.
L. Gheorghe, P. Loiseau, and G. Aka, “Second-harmonic
generation of 400nm blue-violet light in Gd1-xRxCa4O(BO3)3
(R = Lu, Sc) crystals through noncritical phase-matching”,
10th
International Balkan Workshop on Applied Physics (IBWAP), Iulie 6-8,
2009,
Constanta, Romania (Poster presentation S1 P63).
2.
A. Achim, L. Gheorghe, V. Lupei, A. Lupei, and C. Gheorghe, “Growth and
characterisation of Yb3+ doped calcium lithium
niobium gallium
garnet (CLNGG) single crystals”,
10th International Balkan Workshop
on Applied Physics (IBWAP), Iulie 6-8, 2009, Constanta , Romania
(Poster presentation
S1 P62).
3. C. Gheorghe, A.
Lupei, V. Lupei, L. Gheorghe, and S. Hau, ”Intensity of the
f-f transitions of Nd3+ in CLNGG single
crystals”,
5th International
Symposium Laser, and Non Linear Optical Materials (ISLNOM-5),
Septembrie 3 - 5,
2009, Pisa, Italia (Poster presentation PA 2).
4.
L. Gheorghe, P. Loiseau,
and G. Aka, ”400nm blue-violet
light production by type-I noncritical phase-matching second-harmonic
generation in Gd1-xRxCa4O(BO3)3
(R = Lu, Sc):
crystal growth and nonlinear characterization”, 5th
International Symposium Laser, and Non
Linear Optical Materials (ISLNOM-5), Septembrie 3 - 5, 2009, Pisa,
Italia, Oral
presentation.
5. A.
Achim, L. Gheorghe, F. Voicu,
P. Loiseau, and G. Aka, “Visible and near UV light production by type-I
non-critical phase matching second harmonic generation in Y1-xRxCa4O(BO3)3
(R = Lu, Sc): crystal growth and nonlinear characterization”, ISLWA-2011, International student workshop on
laser applications 2011, 31 Mai – 04 Iunie 2011, Bran, Romania,
Poster
presentation.
6. L.
Gheorghe, A. Achim, F. Voicu, and L. Chircus, “LaxGdyScz(BO3)4
(x + y + z = 4) – LGSB: A new promising nonlinear optical (NLO)
crystal”,
IBWAP - 2011, International Balkan Workshop
on Applied Physics, 06 - 08 Iulie 2011, Constanta, Romania, Oral
presentation.
7. A.
Achim, L. Gheorghe, F. Voicu,
and L. Chircus, “Second harmonic generation of blue light in new
nonlinear optical
crystal of Y1-xRxCa4O(BO3)3
(R = Lu, Sc) through noncritical
phase matching”, IBWAP - 2011, International
Balkan Workshop on Applied Physics, 06 - 08 Iulie 2011,
Constanta, Romania, Poster presentation.
8. L. Gheorghe, A. Achim, and
F. Voicu, “A new nonlinear optical
(NLO) crystal for visible and ultraviolet (UV) regions”,
TIM - 2011, 24 - 27
Noiembrie 2011, Timisoara, Romania, Invited lecture.
9. A. Achim, L.
Gheorghe, and F. Voicu,
“Efficient second harmonic generation of blue-violet light in
noncritical
type-I phase matching”,
TIM - 2011, 24 - 27
Noiembrie 2011, Timisoara, Romania, Poster
presentation.
|