Ukrainian Journal of Physical Optics


2025 Volume 26, Issue 4


ISSN 1816-2002 (Online), ISSN 1609-1833 (Print)

THE OPTIMAL VECTOR PHASE MATCHING CONDITIONS IN BIAXIAL CRYSTALLINE MATERIALS DETERMINED BY THE EXTREME SURFACES METHOD: THE CASE OF MONOCLINIC CRYSTALS

Shulha, D., Buryy, O., Andrushchak, N., Kohut, Z., Sahraoui, B. and Andrushchak, A.

Author Information
1Shulha, D. SCOPUS logo, 2Buryy, O. ORCID logo SCOPUS logo, 3Andrushchak, N. ORCID logo SCOPUS logo, 1,4Kohut, Z. ORCID logo SCOPUS logo, 5Sahraoui, B. ORCID logo SCOPUS logo, 1,*Andrushchak, A. ORCID logo SCOPUS logo
1Department of Applied Physics and Nanomaterials Science, Lviv Polytechnic National University, Bandery Str., 12, 79013 Lviv, Ukraine
2Department of Semiconductor Electronics, Lviv Polytechnic National University, Bandery Str., 12, 79013 Lviv, Ukraine
3Department of Computer-Aided Design Systems, Lviv Polytechnic National University, Bandery Str., 12, 79013 Lviv, Ukraine
4Faculty of Electrical Engineering, Czestochowa University of Technology, J. Dąbrowskiego Str. 69, 42-201 Czestochowa, Poland
5Institute of Sciences and Molecular Technologies of Angers, University of Angers, 40, rue de Rennes, BP 73532 Anger, 49035 France
* Corresponding author: anatolii.s.andrushchak@lpnu.ua

ABSTRACT

The optimal geometries of vector phase matching are determined for the cases of second harmonic, sum, and difference frequency generation in monoclinic nonlinear optical crystals, namely GdCa4O(BO3)3, YCa4O(BO3)3 (point group of symmetry m), BiB3O6, and La2CaB10O19 (point group of symmetry 2). The extreme surface technique was used to determine the directions of the wave vectors that yield the highest achievable generation efficiency. The obtained results are compared with the ones for scalar phase matching. It is shown that vector phase matching increases the efficiency by tens of percent compared to the scalar case (about 53% for the BiB3O6 crystal). BiB3O6 reveals the highest absolute values of the efficiency, whereas the lowest ones are by the La2CaB10O19 crystal.

Keywords: monoclinic crystals, second harmonic generation, sum-frequency generation, difference frequency generation, biaxial crystals, interaction geometry, extreme surfaces

UDC: 535.18

    1. Andrushchak, N., Buryy, O., Danylov, A., Andrushchak, A., & Sahraoui, B. (2021). The optimal vector phase matching conditions in crystalline materials determined by extreme surfaces method: Example of uniaxial nonlinear crystals. Optical Materials, 120, 111420.
      doi:10.1016/j.optmat.2021.111420
    2. Buryy, O., Shulha, D., Andrushchak, N., Danylov, A., Sahraoui, B., & Andrushchak, A. (2024). Optimal vector phase-matching conditions in biaxial crystalline materials determined by the extreme surfaces method: the case of orthorhombic crystals. Applied Optics, 63(13), 3725-3735.
      doi:10.1364/AO.518690
    3. Dmitriev, V. G., Gurzadyan, G. G., & Nikogosyan, D. N. (2013). Handbook of nonlinear optical crystals (Vol. 64). Springer.
    4. Nikogosyan, D. N. (2005). Nonlinear optical crystals: a complete survey. New York, NY: Springer New York.
    5. Reshak, A. H., Auluck, S., & Kityk, I. V. (2007). Specific features in the band structure and linear and nonlinear optical susceptibilities of La2CaB10O19 crystals. Physical Review B - Condensed Matter and Materials Physics, 75(24), 245120.
      doi:10.1103/PhysRevB.75.245120
    6. Yariv, A. and Yeh, P. (2002). Optical waves in crystals. New York, Wiley.
    7. Shen, Y.R. (2002). Principles of nonlinear optics. New York, Wiley-Interscience.
    8. Sirotin, Yu. and Shaskolskaja, M. (1983). Fundamentals of crystal physics. Moscow, Imported Pubn.
    9. Hellwig, H., Liebertz, J., & Bohatý, L. (1998). Exceptional large nonlinear optical coefficients in the monoclinic bismuth borate BiB3O6 (BIBO). Solid State Communications, 109(4), 249-251.
      doi:10.1016/S0038-1098(98)00538-9
    10. Hellwig, H., Liebertz, J., & Bohatý, L. (2000). Linear optical properties of the monoclinic bismuth borate BiB3O6. Journal of Applied Physics, 88(1), 240-244.
      doi:10.1063/1.373647
    11. Mougel, F., Aka, G., Salin, F., Pelenc, D., Ferrand, B., Kahn-Harari, A., & Vivien, D. (1999, January). Accurate second harmonic generation phase matching angles prediction and evaluation of non linear coefficients of Ca4YO (BO3)3 (YCOB) crystal. In Advanced Solid State Lasers (p. WB11). Optica Publishing Group.
      doi:10.1364/ASSL.1999.WB11
    12. Aka, G., Kahn-Harari, A., Mougel, F., Vivien, D., Salin, F., Coquelin, P., Colin, P., Pelenc, D.. & Damelet, J. P. (1997). Linear-and nonlinear-optical properties of a new gadolinium calcium oxoborate crystal, Ca4GdO (BO3)3. Journal of the Optical Society of America B, 14(9), 2238-2247.
      doi:10.1364/JOSAB.14.002238
    13. Andreev, Y. M., Arapov, Y. D., Grechin, S. G., Kasyanov, I. V., & Nikolaev, P. P. (2016). Functional possibilities of nonlinear crystals for laser frequency conversion: biaxial crystals. Quantum Electronics, 46(11), 995.
      doi:10.1070/QEL16160
    14. Wang, G., Lu, J., Cui, D., Xu, Z., Wu, Y., Fu, P., Guan, X. & Chen, C. (2002). Efficient second harmonic generation in a new nonlinear La2CaB10O19 crystal. Optics Communications, 209(4-6), 481-484.
      doi:10.1016/S0030-4018(02)01722-4
    15. Wu, Y., Fu, P., Zheng, F., Wan, S., & Guan, X. (2003). Growth of a nonlinear optical crystal La2CaB10O19 (LCB). Optical Materials, 23(1-2), 373-375.
      doi:10.1016/S0925-3467(02)00321-X
    16. Fève, J. P., Boulanger, B., & Marnier, G. (1993). Calculation and classification of the direction loci for collinear types I, II and III phase-matching of three-wave nonlinear optical parametric interactions in uniaxial and biaxial acentric crystals. Optics Communications, 99(3-4), 284-302.
      doi:10.1016/0030-4018(93)90092-J

    Визначено оптимальні геометрії векторного фазового синхронізму для випадків генерації другої гармоніки, сумарної та різницевої частот у моноклінних нелінійно-оптичних кристалах, а саме: GdCa4O(BO3)3, YCa4O(BO3)3 (точкова група симетрії m), BiB3O6 та La2CaB10O19 (точкова група симетрії 2). Для визначення напрямків хвильових векторів, що забезпечують найвищу ефективність генерації, було використано метод екстремальних поверхонь. Отримані результати порівнюються з результатами скалярного фазового синхронізму. Показано, що векторний фазовий синхронізм підвищує ефективність на десятки відсотків порівняно зі скалярним випадком (близько 53% для кристала BiB3O6). Кристал BiB3O6 проявляє найвищі абсолютні значення ефективності, тоді як найнижчі - кристал La2CaB10O19.

    Ключові слова: моноклінні кристали, генерація другої гармоніки, генерація сумарної частоти, генерація різницевої частоти, двовісні кристали, геометрія взаємодії, екстремальні поверхні

Free download this article 

This work is licensed under CC BY 4.0