NATIONAL
INSTITUTE for LASER, PLASMA and RADIATION PHYSICS LABORATORY of SOLID-STATE QUANTUM ELECTRONICS |
|
TIP PROIECT: PROIECTE DE CERCETARE EXPLORATORIE
TITLU:
DEZVOLTAREA
DE CRISTALE LASER SI OPTIC NELINIARE EFICIENTE DE BORATI DE TIP HUNTIT
PENTRU SURSE LASER IN INFRAROSU APROPIAT SI VIZIBIL
TITLE:
DEVELOPMENT OF EFFICIENT LASER AND
NONLINEAR OPTICAL
HUNTITE-TYPE BORATE CRYSTALS FOR NEAR-INFRARED AND VISIBLE LASEr SOURCES
PROJECT ACRONYM: NLOBIFUN
___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
PROJECT
DURATION:
July 2017 - December 2019
DURATA
PROIECTULUI: Iulie
2017 - Decembrie 2019
PROJECT LEADER:
National Institute for Laser, Plasma
and Radiation
Physics, Magurele
077125, Ilfov, Romania
CONDUCATOR PROIECT:
Institutul
National de
Cercetare-Dezvoltare pentru Fizica Laserilor, Plasmei si
Radiatiei, Magurele
077125, Ilfov,
Romania
Contract value: 850.000 lei
Valoare contract: 850.000 lei
The research team: GHEORGHE Lucian Marian, PhD (CS II)
Echipa de cercetare: GHEORGHE Cristina Petruta, PhD (CS II)
VOICU Flavius-Marian, PhD Student (CS)
CROITORU Gabriela, PhD student (CS)
HAU Stefania, PhD student (CS)
GRECULEASA Madalin, PhD student (ACS)
BROASCA Alin, MSc student (ACS)
___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
●
The general objective of the project is to develop
new bi-functional
laser and nonlinear optical (NLO) crystals for the development of
efficient
laser sources in the near-infrared (NIR) and visible (VIS) ranges,
based on
direct laser emission and self-frequency doubling (SFD) processes,
respectively. The project is an exciting challenge to demonstrate the
real
potentiality of trigonal Nd-doped LaxGdyNdzSc4-x-y-z(BO3)4
- Nd:LGSB crystals as serious next generation candidates for efficient
NIR and
VIS laser sources.The project deals with the compositional
refinement, crystal growth,
characterization, and performance evaluation of Nd-doped LGSB
borate-type
crystals.
●
The project is structured in two specific objectives:
O1. Development of Nd:LGSB trigonal huntite-type
crystals as efficient laser
crystals for diode-pumped solid-state (DPSS) lasers in the
1 μm
spectral range;
O2. Development of Nd:LGSB trigonal huntite-type
crystals as efficient SFD
laser crystals in the green (~0.5 μm) spectral range.
● Growth by the Czochralski method of preliminary
nonlinear optical
crystals of Nd:LGSB-type.
● Development of Nd:LGSB nonlinear optical crystals
as efficient laser-active
media emitting in the 1 μm spectral range.
● Development of Nd:LGSB crystals as nonlinear
laser-active media emitting
in the green (~0.5 μm) spectral range by self-frequency
doubling processes.
REZULTATE
OBTINUTE
___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
ETAPA
I. Iulie - Decembrie 2017
● Rafinarea compozitionala a compusilor de tip
Nd:LGSB.
O gama larga de compusi de tip La1-xGdxSc3(BO3)4
- Gd:LSB, La1-xNdxSc3(BO3)4
- Nd:LSB si LaxGdyNdzSc4-x-y-z(BO3)4
- Nd:LGSB
au fost
sintetizati prin metoda reactiei in stare solida si au fost optimizati
toti
parametrii ce intervin in tratamentul termic de sinterizare al
compusilor
respectivi. Pe baza rezultatelor obtinute din masuratorile de difractie
de raze
X (XRD) pe compusii sintetizati, corelate cu interesul nostru de a
conserva
topirea “aproape” congruenta a LaSc3(BO3)4
-
LSB, au fost identificate domeniile de existenta compozitionala a
compusilor
NLO de tip Nd:LGSB
cu topire
congruenta sau aproape congruenta. Valorile determinate ale
parametrilor
compozitionali x, y si z sunt confidentiale pana la valorificarea
completa a
rezultatelor obtinute.
● Cresterea prin metoda Czochralski a cristalelor
Nd:LGSB preliminare.
Pe baza rezultatelor obtinute din masuratorile de
analiza termica diferentiala (DTA) pe compusii sintetizati, mai multe
compozitii nestoichiometrice de tip Nd:LGSB
au fost selectate ca si compozitii ale materiilor
prime (compozitii ale
topiturii) pentru cresterea prin metoda Czochralski a cristalelor
Nd:LGSB
preliminare. Un design special al montajului termic a fost dezvoltat in
cadrul
cercetarilor efectuate. Vitezele de tragere si rotatie, directia de
crestere si
rata de racire a cristalelor de la temperatura de crestere la
temperatura
camerei au fost optimizate. Cristalele obtinute sunt transparente,
nehigroscopice si stabile chimic. Dimensiunile tipice ale cristalelor
crescute
sunt de aproximativ 10 - 12 mm in diametru si 25 - 30 mm in lungime.
● Caracterizarea proprietatilor structurale,
spectroscopice si optic neliniare
___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
2. ETAPA II. Ianuarie - Decembie 2018
Dezvoltarea
cristalelor nelineare Nd:LGSB ca medii active laser eficiente cu emisie
in domeniul
spectral 1 μm.
●
Activitati specifice:
II.1. Cresterea prin metoda Czochralski a cristalelor
Nd:LGSB cu compozitii optimizate.
II.2. Caracterizarea proprietatilor structurale,
spectroscopice si optic neliniare a cristalelor Nd:LGSB.
II.3. Dezvoltarea de
laseri eficienti in domeniul spectral 1 μm
bazati pe cristale de tip Nd:LGSB.
PARTIAL
Obiectivele
specifice etapei II a proiectului NLOBIFUN au
fost indeplinite integral.
● Cresterea prin metoda Czochralski a cristalelor Nd:LGSB
cu compozitii optimizate.
Pe baza rezultatelor obtinute in cadrul etapei anterioare
a proiectului (Etapa I), una dintre compozitiile nestoichiometrice de
tip LaxNdyGdzSc4-x-y-z(BO3)4
a fost selectata ca si compozitie chimica a materiilor prime
(compozitie initiala
a topiturii) pentru cresterea prin metoda Czochralski a cristalelor
Nd:LGSB cu
compozitie optimizata. Valorile parametrilor compozitionali x, y si z
sunt confidentiale
pana la valorificarea completa a rezultatelor obtinute. In cadrul
cercetarilor
efectuate au fost optimizate vitezele de tragere si rotatie, directia
de
crestere si rata de racire a cristalelor Nd:LGSB respective. Cristalele
obtinute
sunt transparente, nehigroscopice si stabile chimic, avand dimensiuni
tipice de
aproximativ 10 - 12 mm in diametru si 25 - 30 mm in lungime.
● Caracterizarea proprietatilor structurale,
spectroscopice si optic neliniare a cristalelor Nd:LGSB.
Proprietatile NLO ale cristalului uniaxial negativ Nd:LGSB
(cu compozitie chimica a materiei prime optimizata) au fost investigate
pe baza
masuratorilor de indici de refractie. Masuratorile au fost realizate
utilizand
metoda minimului de deviatie intr-o prisma decupata din cristalul
crescut. Pe
baza masuratorilor de indici de refractie au fost determinate curbele
de
dispersie ale acestora care apoi au permis identificarea coeficientilor
Sellmeier, coeficienti cu ajutorul carora au fost determinate curbele
de acord
de faza pentru SHG de tip I si II in cristalul Nd:LGSB. Proprietatile
structurale si spectroscopice ale cristalului Nd:LGSB au fost de
asemenea
investigate si corelate cu proprietatile NLO.
● Dezvoltarea de laseri eficienti in domeniul spectral 1 μm
bazati pe cristale de tip Nd:LGSB. PARTIAL.
Au fost efectuate
experimente pentru evaluarea performantelor laser ale cristalului
Nd:LGSB in
domeniul 1 μm, in regim de functionare quasi-continuu cu
durata a pulsului de 250 μs si rata de repetitie de 2 Hz. Au fost
investigate doua probe orientate paralel si respectiv perpendicular pe
directia
axei c
a cristalului. Pentru ambele probe, cea mai mare panta a eficientei a
fost
obtinuta pentru o oglinda de iesire cu transmisia T= 5%, iar valorile
obtinute
sunt de 71% si respectiv 73%. Rezultatele obtinute sunt foarte bune si
promitatoare in ceea ce priveste obtinerea de emisie laser in verde
(~500 nm)
prin procese de autodublare de frecventa (SFD) a emisiei laser in
domeniul 1
μm, ceea ce constituie subiectul urmatoarei etape (Etapa III) a
proiectului.
___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
3.
ETAPA
III. Ianuarie - Decembrie
2019
Dezvoltarea
cristalelor Nd:LGSB ca medii active nelineare cu emisie in domeniul
spectral verde (~0.5 μm) prin procese de autodublare de frecventa.
● Activitati
specifice
III.1.
Dezvoltarea de laseri eficienti
in domeniul spectral 1 μm
bazati pe cristale de tip Nd:LGSB. FINAL.
III.2. Cresterea prin metoda
Czochralski a cristalelor Nd:LGSB cu compozitii optimizate pentru
autodublarea
de frecventa eficienta.
III.3. Caracterizarea proprietatilor
structurale, spectroscopice si optic neliniare a cristalelor Nd:LGSB.
III.4. Dezvoltarea de laseri in
domeniul spectral verde (~ 0.5 μm)
bazati pe procese de autodublare de
frecventa in cristale Nd:LGSB.
Obiectivele specifice etapei III a
proiectului NLOBIFUN au fost indeplinite integral.
● Dezvoltarea de laseri eficienti in
domeniul spectral 1 μm
bazati pe cristale de tip Nd:LGSB. FINAL.
Au fost efectuate experimente laser pentru
evaluarea performantelor de emisie in domeniul 1 μm ale cristalului
Nd:LGSB, atat
in regim de functionare quasi-continuous wave (quasi-cw) cu durata a
pulsului
de pompaj de 250 μs si rata de repetitie de 2 Hz, cat si in regim
continuous wave (cw). Au
fost investigate doua probe, neacoperite antireflex (uncoated),
orientate
paralel (c-cut) si respectiv
perpendicular (a-cut)
pe directia axei c a cristalului
laser, cu apertura de 3.0 x
3.0 mm2 si grosimi de 6.14 mm si respectiv 2.96
mm. Pentru ambele
probe, cea mai mare panta a eficientei a fost obtinuta pentru o oglinda
de
iesire cu transmisia T= 5%, iar valorile obtinute sunt de 71% si
respectiv 73%,
pentru proba c-cut respectiv a-cut,
in regim de
functionare quasi-cw. Rezultate excelente au fost obtinute si pentru
functionarea in regim cw. Pentru proba c-cut
s-a obtinut o putere
maxima de 1.35 W pentru o putere de pompaj absorbita de 2.14 W, ceea ce
corespunde unei pante a eficientiei de 68%. Pentru proba a-cut
s-a obtinut o putere maxima de 0.75 W pentru o putere absorbita de 1.55
W,
corespunzand unei pante a eficientei de 63%.
● Cresterea
prin metoda Czochralski a
cristalelor Nd:LGSB cu compozitii optimizate pentru autodublarea de
frecventa
eficienta.
Pe baza rezultatelor anterioare privind
caracterizarea proprietatilor structurale, spectroscopice si optic
neliniare
(NLO) ale cristalelor Nd:LGSB preliminare crescute, precum si a
corelarii
proprietatilor spectroscopice si NLO ale acestora, cristalul Nd:LGSB cu
compozitia chimica La0.721Nd0.046Gd0.452Sc2.781(BO3)4
a fost selectat ca fiind optim pentru dezvoltarea de surse laser
eficiente in
domeniul vizibil (VIS) bazate pe procese de autodublare de frecventa.
Conditiile de crestere au fost similare cu cele ale cristalelor Nd:LGSB
crescute anterior, in cadrul Etapei nr. 2. Cristalul obtinut este
foarte
transparent si nu prezinta defecte vizibile, iar dimensiunile acestuia
sunt de
aproximativ 13 mm in diametru si 35 mm in lungime.
___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
II. Communications at International Conferences
1.
L. Gheorghe, M. Greculeasa, F. Voicu, F. Khaled, P.
Loiseau, G. Aka, S. Hau, C. Gheorghe, G. Croitoru,
N. Pavel, “Czochralski growth, NLO properties and laser performances of
pure and Nd-doped LaxGdySc4-x-y(BO3)4
- LGSB single crystals,” TIM18 Physics Conference, 24 - 26 May 2018,
Timisoara,
Romania (CM-O05, oral presentation).
Laboratory of Solid-State Quantum Electronics |