НАЗНАЧЕНИЕ
Монокристаллы KTP представляют собой нелинейно-оптический материал на основе титанил-фосфата калия, относящийся к ромбической (орторомбической) сингонии. Кристалл отличается высоким коэффициентом нелинейности, широкой областью прозрачности (350-4500 нм) и высоким порогом оптического пробоя, что делает его одним из наиболее востребованных материалов для преобразования частоты лазерного излучения. Материал негигроскопичен, не вступает в реакции с рабочими средами и выдерживает умеренные механические нагрузки, не разлагается при нагреве ниже 900 °C, что позволяет применять его как в лабораторных, так и в промышленных лазерных системах.
ПРИМЕНЕНИЕ
Основное применение KTP – генерация второй гармоники (ГВГ) лазеров на основе неодима для получения зелёного и красного излучения. Эффективность удвоения частоты на длине волны 1064 нм достигает порядка 80 % при правильном выборе ориентации кристалла и условий синхронизма. Кристалл работает как во внутрирезонаторных, так и во внерезонаторных схемах.
Второе применение – параметрическая генерация и усиление. На основе KTP создаются параметрические генераторы света (ПГС) с перестройкой в диапазоне 600-4500 нм. Такие схемы востребованы в спектроскопии, дистанционном зондировании и для накачки параметрических источников среднего ИК-диапазона на других кристаллах.
Третье применение – электрооптическая модуляция. Высокий электрооптический коэффициент и низкая диэлектрическая проницаемость позволяют использовать KTP в модуляторах, оптических переключателях и направленных ответвителях. Кристалл также применяется для смешения частот лазера на неодиме с излучением диодного лазера для получения синего выхода, и в оптических волноводах для интегральных нелинейно-оптических устройств.
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ
Химическая формула материала – KTiOPO4. Кристалл относится к ромбической сингонии, пространственная группа Pna21, точечная группа mm2. Параметры элементарной ячейки составляют: a = 6,404 Å, b = 10,616 Å, c = 12,814 Å.
Плотность кристалла составляет 3,01 г/см3. Твёрдость по Моосу равна 5. Температура плавления достигает примерно 1172 °C. Точка Кюри, при которой материал теряет свои свойства, составляет около 936 °C. Удельная теплоёмкость равна 0,1643 кал/(г·°C).
ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Теплопроводность KTP составляет 13 Вт/(м·К), примерно вдвое выше, чем у кристаллов ниобата бария-натрия (BNN), что обеспечивает эффективный отвод тепла. Высокая теплопроводность особенно важна для мощных лазерных систем, где нагрев кристалла может приводить к искажению волнового фронта и снижению эффективности преобразования.
Коэффициенты линейного теплового расширения анизотропны и составляют: α = 11·10⁻⁶ K⁻¹ вдоль оси X, α = 9·10⁻⁶ K⁻¹ вдоль оси Y и α = 0,6·10⁻⁶ K⁻¹ вдоль оси Z. Столь малый коэффициент вдоль оси Z означает, что в этом направлении кристалл почти не расширяется при нагреве. Это важно при выборе материалов для согласования температурных деформаций.
Термооптические коэффициенты, описывающие изменение показателя преломления с температурой, положительны: dnx/dT = 1,1·10⁻⁵ K⁻¹, dny/dT = 1,3·10⁻⁵ K⁻¹, dnz/dT = 1,6·10⁻⁵ K⁻¹. Положительный знак означает, что при нагреве показатель преломления растёт. Это необходимо учитывать при расчёте условий синхронизма для конкретной рабочей температуры.
ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
Диапазон прозрачности KTP от 350 до 4500 нм, что охватывает видимую, ближнюю и среднюю инфракрасную области спектра. В этом диапазоне имеется полоса поглощения вблизи 3,5 мкм, которую следует учитывать при работе в среднем ИК-диапазоне.
KTP – двуосный кристалл, поэтому его показатель преломления зависит от направления распространения и поляризации света. Коэффициенты поглощения составляют менее 0,1 %/см на длине волны 1064 нм и менее 1 %/см на длине волны 532 нм. Столь низкое поглощение в сочетании с его теплопроводностью обеспечивает устойчивую работу кристалла при высоких плотностях мощности.
ЛАЗЕРНАЯ СТОЙКОСТЬ И ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ
Порог лазерного пробоя KTP составляет более 0,5 ГВт/см2 на длине волны 1064 нм при длительности импульса 10 нс, частоте следования 10 Гц и наличии просветляющего покрытия. На длине волны 532 нм порог пробоя составляет более 0,3 ГВт/см2 при тех же условиях. При измерении в режиме свободной генерации без покрытия порог достигает 750 МВт/см2 на длине волны 1064 нм. Для сравнения, объёмный порог пробоя при одноимпульсном воздействии оценивается в 31,5 ± 4 ГВт/см2, а в некоторых условиях с z-поляризованным излучением – до 400 ГВт/см2.
Одно из ограничений стандартного KTP – подверженность фотохромному эффекту. Этот эффект проявляется в виде потемнения кристалла под действием мощного лазерного излучения и приводит к снижению эффективности преобразования. Для борьбы с этим явлением выпускаются кристаллы с повышенной стойкостью к потемнениям (HGTR-KTP), которые значительно улучшают долговечность и позволяют работать при более высоких мощностях. Стандартный KTP рекомендуется применять в режимах низкой и средней плотности мощности, а для мощных систем выбирать HGTR-варианты.
ФОРМА ПОСТАВКИ И ОБРАБОТКА
Кристаллы KTP поставляются в виде оптических элементов с ориентацией, оптимизированной под конкретную задачу. Для удвоения частоты Nd:YAG-лазера на 1064 нм стандартная ориентация составляет θ = 90°, φ = 23,5°. Стандартные допуски на размеры: диаметр или сторона +0,0/−0,1 мм, длина ±0,1 мм. Допуск на угол реза не превышает ±0,25° по θ и φ. Плоскостность поверхности выдерживается на уровне λ/10 на длине волны 632,8 нм, чистота поверхности – 10/5 по системе Scratch/Dig. Параллельность граней – не хуже 20 угловых секунд, перпендикулярность – не хуже 5 угловых минут. Фаски выполняются размером не более 0,2 мм под углом 45°. Световая апертура составляет не менее 90 % от геометрической. По запросу наносится просветляющее или отражающее покрытие, оптимизированное под конкретные длины волн.