Источники когерентного инфракрасного излучения для спектроскопии высокого разрешения (05.10.2009)

Автор: Колкер Дмитрий Борисович

В эксперименте по прецизионной лазерной спектроскопии мюония измеряется частота 1S-2S перехода с использованием метода двухфотонного резонанса, предложенного Чеботаевым и др. в [17-19]. Излучение с длиной волны 244 нм, необходимое для наблюдения двухфотонного резонанса на переходе 1S-2S, создается за счет утроения частоты импульсного александритового лазера, генерирующего в области 732 нм. Александритовый лазер синхронизуется по частоте с помощью непрерывного стабильного Ti:Sa лазера. Для точной настройки частоты лазерного спектрометра на линию двухфотонного поглощения мюония, а также для точного измерения частоты 1S-2S перехода необходим вторичный стандарт частоты в области генерации Ti:Sa лазера.

Одной из проблем при создании вторичного стандарта частоты является исследование спектров поглощения в различных средах и выбор частотного репера.

Другая серьезная проблема - это измерение абсолютного значения частоты выбранного репера, а также исследование влияния различных факторов на сдвиги частоты репера.

В основе абсолютного измерения оптических частот лежит сравнение измеряемой частоты с частотой стандарта либо с частотой синтезированной из частоты стандарта и, следовательно, известной с точностью стандарта. Синтез частот осуществляется посредством умножения частоты, т. е. за счет генерации высших гармоник и их выделения. При синтезе используются также операции сложения, вычитания и деления частот.

Одной из серьезных проблем при измерении оптических частот является проблема измерения частотного интервала, разделяющего синтезированную частоту от измеряемой. Чем больше размер интервала, который может быть измерен, тем менее жесткие требования предъявляются к точности синтеза частот и тем проще может быть схема синтеза.

В первой главе диссертации решаются такие задачи как построение схемы синтеза и измерения, создание генератора разностной частоты на основе нелинейного оптического кристалла. Описывается создание вторичных опорных стандартов частоты. Представлены схемы спектрометров линейного и насыщенного поглощения на базе перестраиваемого Ti:Sa лазера. Приводятся результаты по исследованию сдвигов частоты репера от давления в ячейке.

В качестве частотного репера нами был выбран компонент сверхтонкой структуры линии R(26)5-13 молекулярного 127I2 в области 732 нм, который может воспроизводить значение частоты в требуемом диапазоне с высокой точностью (10-10 – 10-11) .

Обсуждается оригинальная методика измерения сдвигов частоты от давления в ячейке. Рассматриваются различные варианты схем синтеза и измерения оптической частоты (в области 732 нм) и обосновывается выбор схемы, которая основана на двух вторичных стандартах частоты – полупроводниковом лазере, стабилизированном по резонансу насыщенного поглощения в Rb и CO2 стандартах в области 794.5 нм и 9.33 мкм. Подробно описаны все элементы схемы. Представлены результаты абсолютного измерения оптической частоты найденного репера.

Во второй главе диссертации обсуждаются методы измерения оптических частот при помощи синхронизованных мод Ti:Sa лазера и представлены результаты экспериментов с Ti: Sa фемтосекундным лазером, которые получены при участии соискателя в Институте Лазерной физики СО РАН. Представлена схема синтеза оптических частот в области 88 ТГц для фемтосекундных оптических часов. Экспериментальная установка была разработана и изготовлена под руководством соискателя в рамках молодежного проекта СО РАН (руководитель проекта Д.Б.Колкер в 2002 году за достигнутые результаты, был отмечен Президиумом СО РАН юбилейной медалью академика Лаврентьева). Работы по использованию фемтосекундных лазеров в метрологических задачах были продолжены совместно с LNE-SYRTE (Парижская обсерватория). Во второй главе также описаны результаты совместных экспериментов с французской лабораторией LNE–SYRTE по измерению частот переходов в атоме стронция. Для этого эксперимента совместно с французским экспериментатором Данелием Роверой и датским физиком, доктором Андерсем Брушем, была создана универсальная экспериментальная установка на основе фемтосекундного лазера с f-2f интерферометром. Установка предназначена для прецизионного измерения оптических частот в широком оптическом диапазоне от 400 нм до 1100 нм. Представлены результаты измерений частот переходов в молекулярном йоде и атоме стронция.

Третья глава диссертации посвящена улучшению характеристик нелинейных преобразователей частоты, которые непосредственно используются в схемах синтеза и абсолютного измерения частот. Изобретение в XX веке периодически-поляризованных структур на основе сегнетоэлектриков позволило на порядок увеличить эффективность преобразования во вторую гармонику, при генерации разностной и суммарной частот, а также увеличить выходную мощность преобразованного излучения при создании параметрических генераторов света. Тем не менее, в среднем ИК-диапазоне эти методы уже не работают, т.к. диапазон прозрачности коммерческих кристаллов для периодически-поляризованных структур ограничен 4.5 мкм.

Многие метрологические и спектроскопические задачи требуют увеличения диапазона пропускания нелинейных элементов до 10-20 мкм, но использование монолитных кристаллов, таких как тиагаллат серебра, прустит, ZnGeP2 и т.д. связано с ограничением эффективности преобразования из-за влияния угла сноса. Современные исследования, направленные на создание периодически-поляризованных структур на основе халькогенидов пока не дали положительных результатов. Альтернативой периодическим структурам в ИК-диапазоне выступают кристаллические структуры с компенсацией угла сноса (2N-OCWOC структуры), в которых на оптическом контакте изготовлены специальные конфигурации из пластинок нелинейного кристалла. Знак эффективной нелинейности периодически изменяется от пластинки, к пластинке приводя к компенсации угла сноса. При этом эффективности преобразования во вторую гармонику в таких структурах может увеличиваться. Все исследования проводились на тестовых структурах из традиционного материала KTiPO4, изготовленных французской фирмой Crystal Technology, но все наблюдаемые эффекты имеют место и в других материалах, в том числе и ИК-материалах. Эксперименты проводились на базе Французской лаборатории LNE-SYRTE (Observatoire de Paris).

. При этом может наблюдаться улучшение профиля пучка при жесткой фокусировке при I-типе взаимодействия ГВГ. При этом было обнаружено, что при использовании 2N-OCWOC структур возникает неконтролируемый эффект влияния передаточной функции нелинейного двулучепреломляющего фильтра (фильтра Лио и Брегговских отражателей).

Эффективность преобразования и перестроечные характеристики 10-OCWOC и 4-OCWOC КТР структур были экспериментально исследованы. При этом эксперимент полностью подтвердил теоретические предположения о том, что эти структуры работают как нелинейный двулучепреломляющий фильтр. Экспериментально исследованная функция передачи нелинейного двулучепреломляющего фильтра соответствует теории идеальных 2N-OCWOC структур [45].

2N-OCWOC структуры могут быть использованы для увеличения эффективности преобразования при критическом синхронизме в различных нелинейных материалах. Однако, для плоскопараллельных пучков никакого улучшения эффективности преобразования не наблюдается.

Данные исследования показали, что в 2N-OCWOC структурах наблюдается увеличение эффективности преобразования от 15 до 22 раз по сравнению с монолитным эквивалентным образцом. Эти результаты были получены только при оптимальной фокусировке.

Четвертая глава диссертации посвящена теоретическому исследованию прецизионных делителей частоты, использование которых в комбинации с фемтосекундным лазером позволит значительно расширить область применения прямых измерений оптических частот от видимого до среднего ИК-диапазона.

). Если соотношение частот при этом составляет 3:2:1, то наблюдается самоинжекция удвоенной холостой и сигнальной волны в резонаторе ПГС.

(а) (б)

Рис 1: Диаграмма, показывающая два нелинейных процесса в ПГС-ССФ.

Рис 2. Определение параметра фазовой расстройки ?. При заданной конфигурации кристаллической структуры PPLN процессы ПГС и ГВГ оптимальны при разных температурах. Температурная ширина синхронизма для ГВГ секции в 5 раз больше чем для ПГС секции

. При прохождении через ГВГ секцию может возбуждаться большое количество дополнительных сигнальных и холостых мод. При этом, если

то возможна моногомодовая генерация оптических частот в резонаторе ПГС, как показано на рис. 1 б.

Динамика системы с конкуренцией двух нелинейностей (рис 2) была исследована теоретически в [22,23].

В системе с конкуренцией двух нелинейностей может наблюдаться режим “вложенного параметрического генератора”. Рассмотрим отдельно ГВГ-секцию нелинейного элемента PPLN. Как только внутрирезонаторная интенсивность на частоте 2? достигает некоторого критического значения, то вторичный ПГС вблизи вырожденного режима, порождает две дополнительных сигнально-холостых частоты (????????). Таким образом, в ПГС с составной геометрией нелинейного элемента возможен пятичастотный режим генерации, который будем называть ПГС с внутренней накачкой.

). Это свойство ПГС-ССФ является одним из самых важных [22,23]. В перспективе ПГС-ССФ может быть использован для кодирования информации в координатах интенсивность – фаза.

В четвертой главе приводится математическая модель ПГС-ССФ и представлены результаты теоретических исследований системы с каскадной нелинейностью [45].

(ГВГ) вызывает эффект самоинжекции между волнами субгармоники, который, в свою очередь, приводит к самосинхронизации фазы между тремя взаимодействующими волнами в ПГС. Этот эффект не наблюдается в традиционном ПГС, поскольку разность фаз между сигнальной и холостой волной является неопределенной величиной. Двухрезонаторный и трехрезонаторный ПГС-ССФ могут обладать широким диапазоном фазового самозахвата, что продемонстрировано в последующих разделах при описании эксперимента. Порог параметрической генерации в ПГС-ССФ идентичен порогу генерации в традиционных ПГС. Использование внутрирезонаторной каскадной нелинейности приводит к критическому поведению даже в случае двухрезонаторного ПГС(DRO) или PRSRO (ПГС с резонансом на сигнальной волне и волне накачки). При увеличении мощности накачки возникают Хопф-нестабильности. Наличие каскадной внутрирезонаторной нелинейности снимает перестроечные ограничения, которые присущи традиционным ПГС, и позволяет осуществлять точный контроль разности фаз между сигнальной и холостой волнами.

Диапазон фазового самозахвата будет зависеть от величины параметра нелинейной связи. Если для PRSRO этот диапазон значительно меньше собственной ширины линии резонатора (узкий диапазон самоинжекции), то для двух и трехрезонаторного ПГС-ССФ диапазон фазового самозахвата может быть в несколько раз больше, чем собственная ширина линии резонатора DRO/ TRO (двух/трехрезонаторного ПГС).

Двух- и трехрезонаторные ПГС-ССФ обладают более богатой нелинейной динамикой, чем однорезонаторные PRSRO. Для однорезонаторного параметрического осциллятора Хопф – раздвоения теоретически не обнаружены. ПГС с самосинхронизацией фазы могут быть использованы в специальных задачах, таких как прецизионные измерении оптических частот в среднем ИК-диапазоне или Фурье синтез ультракоротких оптических импульсов, в которых требуется высокая степень когерентности между волнами оптических гармоник.

В пятой главе представлены экспериментальные результаты исследования трехрезонаторного параметрического осциллятора с самосинхронизацией фазы с накачкой MOPA системой в области 842-845 нм.

Нелинейный элемент ПГС-ССФ представляет собой периодически поляризованную структуру из ниобата лития с составной геометрией (рис 3) размером 11(0.5(30 mm3 (апертура11(0.5mm2). Кристалл состоит из 8 дорожек, но только 6 дорожек из них могут быть использованы для реализации ПГС-ССФ. На крайних дорожках реализуется только традиционный ПГС, поскольку для них длина ГВГ-секции равна нулю. Таким образом, переместив PPLN чип на крайнюю дорожку, мы имеем возможность сравнения динамики ПГС-ССФ и традиционного ПГС. Длина ПГС-секции кристалла составляет L1=20 мм.

ГВГ-секция состоит из шести дорожек различной длины, дорожки 1-3 имеют величину периода L1=34.8 мкм и отличаются по длине в 3 раза. Такая конфигурация чипа позволила изучить влияние величины параметра нелинейной связи S на динамику ПГС-ССФ.

Рис 3. Конфигурация нелинейного элемента.

Оптический резонатор ПГС образован двумя менисками из ZnSe с радиусом кривизны R=50 мм. Зеркала установлены на расстоянии 11 см, причем, именно при этом расстоянии резонатор оказался квазисферическим. При эффективной длине резонатора ?opt/2 ~ 100 мм диаметр перетяжки составлял wp=70?m??при фокусном расстоянии согласующей линзы между лазером накачки и резонатором 150 мм. Излучение выводилось из резонатора через CaF2 пластинку.

) приложенного пилообразного напряжения, во избежание уширения всвязи с оптотермической самостабилизацией оптического пути на негативной стороне, который будет затруднять экспериментальное наблюдение провала интенсивности. Кластеры накачки, сигнальной, холостой и резонансы пропускания конфокального Фабри-Перо интерферометра синхронно записывались на цифровом осциллографе. На рис 4 представлен кластер трехрезонаторного ПГС. Провал интенсивности возникал при температуре кристалла 135?С. При тонкой подстройке температуры позиция провала перемещалась относительно центра кластера. Если температура PPLN кристалла изменялась, более чем на 0.1?С, то провал исчезал. Провал интенсивности не наблюдался, когда позиция кристалла соответствовала крайней дорожке при S=0.

При прохождении точки 3:2:1 форма кластеров изменяется, и возникают особенности: на рисунке 4 виден явный провал интенсивности и уширение собственной моды резонатора. В то время как последовательные перескоки пар мод (сигнальной и холостой) возникают при изменении длины резонатора на 1 нм [48], частота для ССФ моды не изменяется при изменении длины резонатора на 45 нм и интенсивность накачки остается на прежнем уровне. Калибровка диапазона фазового самозахвата производилась при сравнении ширины резонансов на конфокальном интерферометре Фабри-Перо при регистрации ССФ мод и не ССФ мод (ширина 1 МГц). При выключении сканирования TRO может стабильно находиться в состоянии фазового самозахвата в течение нескольких минут без электронных систем фазовой привязки.

В пятой главе представлены два режима работы ПГС-ССФ. Экспериментальные результаты анализа спектра пропускания конфокального Фабри-Перо интерферометра (рис 5) и тонкого эталона Фабри-Перо, (рис 6) доказывают наличие двух режимов работы ПГС-ССФ. В случае деления частоты на 3 ПГС работает в одночастотном режиме, при отстройке частоты от точки 3:1 наблюдается многочастотный режим (рис 6).

?????????????????ae

?????????

) и т.д. Полоса параметрического усиления ПГС составляет обычно несколько ТГц (в случае некритичного синхронизма), при этом эквидистантно расположенные моды с интервалом 3? могут наблюдаться, поскольку уровень накачки будет достаточным.


загрузка...