Введение к работе
Актуальность проблемы
Изучение нелинейно-оптических процессов в резонансных условиях, когда частоты возбуждающего излучения близки к частотам переходов в веществе, представляет несомненный интерес в качестве предмета фундаментальных и прикладных исследований. С одной стороны изучение таких процессов важно для выяснения ряда принципиальных вопросов теории взаимодействия лазерного излучения с веществом. В первую очередь это касается особенностей отклика атомной системы при воздействии на нее интенсивным резонансным световым полем, когда становится возможным возбуждение сразу нескольких, зачастую конкурирующих между собой, нелинейно-оптических процессов. Это делает необходимым учет полной структуры атомного спектра, часто довольно сложной, а двухуровневое приближение, которое почти всегда используется для описания резонансного взаимодействия со слабыми световыми импульсами, становится принципиально неприемлемым.
Среди многочисленных вариантов резонансного возбуждения особое место занимает когерентный режим, характеризующийся тем. что длительность возбуждающего импульса короче всех характерных времен релаксации среды. В последнем случае ее резонансные свойства проявляются особенно ярко. Когерентное резонансное возбуждение резко выводит электронную подсистему любого вещества из состояния термодинамического равновесия. При этом, прежде чем вернуться в равновесное состояние, вещество проходит ряд стаднії, превращений или фазовых переходов. Их регистрация и исследования дают важную информацию о свойствах вещества.
Еще более богатой и разнообразной становится информация, получаемая при когерентном резонансном возбуждении среды последовательностью из нескольких (например двух или трех) коротких световых импульсов. В последнем случае, уже при очень небольших значениях мощности накачки, становится возможным возникновение параметрического процесса типа вырожденного четырехволнового смешения (ВЧВС) с задержкой во времени или стимулированного фотонного эха (СФЭ), который подчиняется тем же закономерностям, что и другие резонансные нелинейно-оптические эффекты. Это явление широко используется в нелинейной спектроскопии высокого и сверхвысокого разрешения для измерения времен релаксации
возбуждения различных сред во временном интервале от мнкросекун до пикосекунд и меньше.
Интерес к исследованиям резонансных нелинейно-оптически процессов обусловлен и возможностью их практпческог использования в различных областях науки и техники. Так, наприме] один из наиболее эффективных способов получения мощной перестраиваемого по частоте инфракрасного (ИК) вынужденног излучения, основан на расширении диапазона генерации нын существующих лазеров в ИК диапазон с помощью резонансног вынужденного комбинационного рассеяния света (ВКР) или ег трехфотонного аналога - вынужденного трехфотонног (гиперкомбинационного) рассеяния света (ВТР). В качестве другог примера их практического приложения можно привест разрабатываемые в настоящее время оптические запоминающи устройства с высокой плотностью записи и процессоры дл параллельной высокоскоростной обработки больших массивов данны; в основе работы которых лежат уникальные пространственнс временные свойства эффекта СФЭ (долговременная память, корреляци и свертка оптических сигналов и др.)
Цель работы и постановка задачи Целью настоящей работы являлось экспериментальное изучени нелинейно-оптических явлений, таких как вынужденно комбинационное и вынужденное трехфотонное (гиперкомбинационно* рассеяние света, генерация вынужденного излучения, четырехфотонны параметрические процессы, возникающие в условиях как когерентног (когда длительность возбуждающих импульсов короче все характерных времен релаксации среды), так и некогерентног (стационарного) резонансного взаимодействия лазерного излучения многоуровневыми системами на примере атомов в разреженных пара щелочных и щелочно-земельных металлов, а также ионо редкоземельных элементов, легированных в кристаллические матрицы.
Основные поставленные в работе задачи были следующие:
- экспериментально исследовать основные характеристики ряд
нелинейно-оптических процессов, возбуждаемых в окрестностя
однофотонных и двухфотонных резонансов с переходами в атома
щелочных и щелочно-земельных элементов; '
Экспешшенталыго изучить особенности резонансного когерентного взаимодействия последовательности из нескольких коротких световых импульсов с многоуровневыми системами на примере охлажденного до гелиевых температур примесного кристалла LaFy.Pr3*, являющегося удобной модельном средой из-за большого набора оптически разрешенных переходов в ионе Рг3+ с хорошо известными спектроскопическими характеристиками и большими временами релаксации;
разработка на основе исследуемых резонансных нелинейно-оптических процессов принципов работы ряда технических устройств для квантовой электроники и смежных областей физики.
Научная новизна Описываемые в диссертации эксперименты были первыми работами, в которых:
-
Осуществлено возбуждение И К ВКР и наблюдалась генерация вынужденного ИК излучения в условиях изолированного резонанса с переходом не из основного состояния атомов щелочных металлов, а между двумя верхними атомными уровнями. Установлено, что эффективность их возбуждения сравнима с эффективностью возбуждения для случая, когда заселение исходных для этих процессов состояний осуществляется излучением дополнительного лазера.
-
Экспериментально установлено, что штарковское расщепление или смещение энергетических уровней в спектре ВКР не проявляется.
-
Осуществлено возбуждение перестраиваемого по частоте инфракрасного вынужденного трехфотоннго (гиперкомбинационного) рассеяния света в парах рубидия. Установлено существенное влияние процесса каскадной генерации вынужденного ИК излучения на его пороговые и энергетических характеристики. Исследованы особенности возбуждения И К ВТР для случая, когда одновременно выполняются условия как двухфотонного, так и однофотонного резонанса.
-
Обнаружено новое явление интерференции не перекрывающихся во времени световых импульсов при их вырожденном четырехволновом смешении с задержкой во времени.
-
Экспериментально установлено влияние конкурирующих нелинейных эффектов (генерации вынужденного излучения на смежном переходе)
на возбуждение процесса вырожденного четырехволнового смешения с задержкой во времени. Это влияние обусловлено тем. что возбуждение ВЧВС осуществляется не в двухуровневой (как это принято при его теоретическом описании) а в многоуровневой системе, которой, как раз практически, всегда и- является реальная физическая среда. Показано, что в случае существенного превышения порога генерации вынужденного излучения имеет место полное подавление сигнала ВЧВС.
Практическая ценность Полученные в диссертационной работе результаты были положеьы в основу работы приставок к лазерам, позволяющих получать спектрально узкое вынужденное ИК излучение, длина волны которого дискретно или непрерывно перестраивалась в широком диапазоне вплоть до ЗОмкм. Они также могут быть использованы для решения проблемы оперативного стирания информации в оптических запоминающих устройствах и процессорах на основе эффекта стимулированного фотонного эха.
Апробация работы Результаты диссертационной работы докладывались на VII Всесоюзной и XIV, XV Международных конференциях по когерентной и нелинейной оптике (Тбилиси 1976г, Ленинград 1991 г, Санкт-Петербург 1995г) IV Всесоюзной конференции "Перестраиваемые по частоте лазеры" (Новосибирск 1984г), V Всесоюзной и VIII Международной конференциях "Оптика лазеров" (Ленинград 1986г, Санкт-Петербург 1993г), III и IV Всесоюзных совещаниях по диагностике высокотемпературной плазмы (1983г, 1986г), Международных конференциях по лазерной физике CLEO/QELS'92. CLEOyQELS'94 (Анахейм, Калифорния США) и Европейской конференции по лазерной физике CLEO/QELS'93 (Флоренция, Италия), Международной школе "Лазеры и их применение" (Саяногорск 1989г), Всесоюзном симпозиуме "Физические принципы и методы оптической обработки информации" (Гродно 199!г). Международном совещании по оптическим компьютерам (Минск, Республика Беларусь 1992г), а также на целом ряде других конференций, совещаний и семинаров.
Публикации По материалам диссертации опубликовано 39 печатных работ, в том числе получено одно авторское свидетельство. Их список приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав и выводов, изложена
на страницах машинописного текста и содержит рисунков.
