Источники когерентного инфракрасного излучения для спектроскопии высокого разрешения Колкер Дмитрий Борисович

Введение к работе

Актуальность темы.

В настоящее время большой интерес представляет создание универсальных когерентных источников инфракрасного излучения. Несмотря на то, что в [1] сообщается о лазерной генерации в области 5 мкм при комнатной температуре, диапазон перестройки непрерывных коммерческих твердотельных лазеров в инфракрасной области ограничивается 3 мкм. Такими источниками когерентного инфракрасного излучения являются Er³⁺- лазеры и перестраиваемые Cr²⁺ лазеры [1]. Основной сложностью при создании новых инфракрасных источников когерентного оптического излучения является не только поиск подходящих лазерных переходов с достаточным временем жизни верхнего состояния, но и наличие экзотического лазера накачки. Спектральный диапазон свыше 3 мкм в среднем ИК-диапазоне может быть непрерывно перекрыт при помощи параметрических генераторов света (ПГС) с накачкой мощным одночастотным лазером в ближнем ИК-диапазоне. Использование оксидных кристаллов в качестве нелинейной среды параметрического генератора света при накачке Nd:YAG лазером позволило перекрыть диапазон от ближнего ИК-диапазона до 4 мкм, дальнейшее увеличение диапазона перестройки этих устройств было поглощением в среднем ИК-диапазоне [2].

Генерация фемтосекундных и пикосекундных импульсов позволяет достигнуть рекордных значений пиковой интенсивности. Тем не менее, сложно одновременно ожидать высоких выходных энергий ПГС в сочетании с оптимальной эффективностью преобразования из-за ограничений, связанных со спектральной зависимостью, а также с дисперсией высоких порядков. Наносекундные параметрические генераторы обладают наилучшим потенциалом для достижения оптимального компромисса между высокими выходными энергиями и энергией одиночного импульса. Такие устройства, которые накачивались лазером в области 1 мкм, были продемонстрированы. Параметрическая генерация наблюдалась только на пяти из четырнадцати элементов, представленных в [2]: Ag₃AsS₃ [3-5], AgGaS₂ [6-9], HgGa₂S₄ [10], LiInSe2 [11], и твердом растворе Cd_xHg _1-x Ga₂S₄ [12]. Параметрическая генерация на длинах волн превышающих 4.4.мкм была продемонстрирована на кристалле тиагаллата серебра от 3.9 до 11.3 мкм [8,9]. В работах [13-15] сообщается об использовании традиционных ПГС для спектроскопических задач, в [16] представлены результаты спектроскопических исследований анализа выдыхаемых пациентами соединений при помощи экспериментальной установки на основе перестраиваемого ПГС для ранней диагностики онкологических заболеваний.

Создание фемтосекундных лазеров с широкой линией излучения больше оптической октавы привело к реализации сличений стандартов частоты от радио- до оптических диапазонов с погрешностью определяемой воспроизводимостью стандартов [17-21]. Исследования показали, что межмодовая частота лазеров с самосинхронизацией мод может быть стабилизирована при синхронизации частотой внешнего высокостабильного генератора [19]. Использование ПГС в вырожденном режиме (оптических делителей частоты), генерирующих несколько частотных эквидистантных маркеров, разнесенных на несколько оптических октав, в комбинации с фемтосекундным оптическим синтезатором позволяет перекрыть диапазон частот от УФ- до среднего ИК-диапазона. В традиционном, невырожденном ПГС разность фаз сигнальной и холостой волн являются случайными величинами, которые возникают из-за стохастического процесса, происходящего от спонтанного параметрического шума флюоресценции. В ПГC с самосинхронизацией фазы (ПГС-ССФ) разность фаз между сигнальной и холостой волнами остается величиной постоянной, что позволяет использовать эти устройства в метрологических задачах.

В [37] сообщается о создании трехрезонаторного параметрического осциллятора на основе двухсекционного кристалла из ниобата лития, который накачивался MOPA системой в области 812 нм. Другой эксперимент [36], в котором также использовался PPLN кристалл с накачкой 500 мВт лазером в области 532 нм, позволял осуществить деление частоты на 3. В этом эксперименте использовались два каскадных преобразования генерации разностной частоты. При этом для осуществления операции 3:2 требовалось два входных сигнала. Однако диапазон самосинхронизации фазы в [36, 37] был экстремально мал для осуществления стабильной работы этих устройств и их практического применения.

В ряде работ отмечается возможность использования ПГC-ССФ для генерации сжатых состояний света [26-36] и ярких запутанных состояний света [37-40].

Работы по созданию ПГС-ССФ велись на протяжении многих лет в лабораториях России, Германии, Франции, Нидерландов и США, тем не менее, до начала работы над данной диссертацией таких источников когерентного инфракрасного излучения не существовало.

Цель работы

Основной целью диссертационной работы является разработка источников когерентного инфракрасного излучения для задач фундаментальной метрологии, спектроскопии высокого разрешения и абсолютного измерения оптических частот от ультрафиолетового до среднего ИК-диапазона с точностью до 10^-12.

Достижение цели потребовало решения следующих задач:

- разработки и создания экспериментальной установки для измерения оптических частот с точностью не хуже 10^-12 - 10^-13 в широком спектральном диапазоне от ультрафиолетового до ИК-диапазона на основе фемтосекундного лазера с f-2f интерферометром.

- проведения экспериментальных исследований новых современных преобразователей частот на основе структур с компенсацией угла сноса. Данные структуры предназначены для использования в схемах синтеза и абсолютного измерения оптических частот.

- измерение эффективности преобразования в этих структурах по сравнению с монолитными образцами. Экспериментальное исследование неконтролируемого эффекта влияния передаточной функции нелинейного двулучепреломляющего фильтра и проверка теории сфокусированных пучков для структур с компенсацией угла сноса.

- создания и исследования прецизионных оптических делителей частот (ПГС-ССФ) на основе кристаллов из периодически поляризованных структур ниобата лития с составной геометрией нелинейного элемента. Исследование области устойчивости и возможности пассивного механизма фазового захвата, не требующего активных систем фазовой привязки.

-экспериментального исследования зависимости диапазона фазового самозахвата от различных факторов – температуры, длины волны накачки ПГС и мощности накачки.

-экспериментального подтверждения генерации Хопф нестабильностей в ПГС ССФ в различной конфигурации оптического резонатора.

- исследования каскадных режимов генерации в ПГС с составной геометрией нелинейного элемента. Исследование пятичастотного режима осцилляций в параметрических генераторах с составной геометрией нелинейного элемента.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Измеренная при помощи созданного фемтосекундного синтезатора частота перехода s ^{2 1}S₀ 5s5p ³P₀ в атоме ⁸⁷Sr составляет:

n (5s ^{2 1} S₀ 5s5p ³P₀) = 429 228 004 235 ± 20 кГц

2. Кристаллические структуры с компенсацией угла сноса являются альтернативой классическим PPxx-структурам для преобразования оптических частот в среднем ИК диапазоне

3. При отстройке частоты ПГС-ССФ от точки деления на 3 на величину кратную межмодовому интервалу ПГС в трехрезонаторном ПГС наблюдается мультикаскадный режим с генерацией боковых частот (аналог фемтосекундного комба в среднем ИК).

4. Диагностикой режима 3:2:1 в двухрезонаторном ПГС-ССФ является вырождение “вложенного пятичастотного ” ПГС.

5. Физические особенности самосинхронизации фазы в двухрезонаторном и трехрезонаторном параметрическом генераторе не отличаются. При сканировании резонатора ПГС вблизи точки деления частоты на 3 возникает провал интенсивности и уширение собственной моды резонатора ПГС. Хопф – нестабильности возникают при превышении над порогом в N=20 для двухрезонаторного ПГС . Для трехрезонаторного ПГС данный эффект наблюдался при N=4.

6. Использование ПГС с самосинхронизацией фазы, в комбинации с фемтосекундным лазером позволяют выполнить абсолютные измерения оптических частот в широком спектре от УФ- до среднего ИК-диапазона

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

1. Измерены частоты переходов атома стронция при помощи фемтосекундного синтезатора с точностью 10^-11.

2. Экспериментально показано, что эффективность преобразования во вторую гармонику в 10 секционном OCWOC - кристалле с компенсацией угла сноса по сравнению с монолитным кристаллом увеличивается в 22 раза.

3. Создан параметрический осциллятор с делением частоты на 3 в двухрезонаторной и трехрезонаторной конфигурации. В качестве нелинейного элемента применялась периодически-поляризованная структура из ниобата лития (PPLN) с составной геометрией.

4. Теоретически обосновано и экспериментально показано, что в ПГС-ССФ может быть использован пассивный механизм стабилизации частоты, которые не требуют электронных систем фазового захвата.

5. Показано наличие двух режимов работы ПГС-ССФ:

1) Одночастотного режима при делении частоты на 3.

2) Многочастотного режима работы ПГС с возможностью генерации боковых частот.

При наличии оптики с компенсацией дисперсии возможно получение пассивной синхронизации мод в ПГС-ССФ в ближнем и среднем ИК-диапазоне.

6. Теоретически обоснован и экспериментально получен пятичастотный режим генерации в двухрезонаторном параметрическом осцилляторе.

7. Теоретически обосновано и экспериментально показано, что в пятичастотном параметрическом осцилляторе диапазон перестройки между вторичной сигнальной и вторичной холостой частотами достигает 200 нм.

Научная и практическая значимость результатов

Измерены частоты перехода атома стронция с точностью 10^-11.

Кристаллические структуры с компенсацией угла сноса являются альтернативой классическим PPLN и PPKTP для преобразования из видимого и ближнего ИК-диапазона в ИК-диапазон, а также из видимого в УФ диапазон.

В ПГС с самосинхронизацией фазы (ПГС-ССФ) возможен пассивный механизм фазового захвата, который не требует специальных электронных устройств фазовой привязки.

ПГС с самосинхронизацией фазы, в которых используется принцип конкуренции двух нелинейностей c(1):c(2), в комбинации с фемтосекундным лазером дают возможность для абсолютного измерения оптических частот в среднем ИК-диапазоне. Провал интенсивности на сигнальной и холостой частотах облегчает диагностику эффекта фазового самозахвата в ПГС-ССФ. Уширение собственной моды резонатора ПГС-ССФ приводит к выгодному увеличению полосы пропускания для системы фазовой привязки.

Делитель частоты на 3 на основе ПГС-ССФ с накачкой второй гармоникой Nd:YAG лазера, стабилизированного по резонансу насыщенного поглощения молекулярного йода в области 532 нм, позволяет осуществлять синхронизацию частот Ti:Sa и Cr: Fr фемтосекундных лазеров.

Каскадный режим генерации ПГС открывает возможности для создания непрерывных пятичастотных оптических параметрических осцилляторов с любыми комбинациями частот, которые могут быть заданы величиной периода L1 и L2 соответствующей секции в периодически поляризованной структуре из ниобата лития или KTP. При этом специальная разветвленная конфигурация в структуре нелинейного элемента позволяет перестраивать вторичный ПГС в широком диапазоне, достигающем нескольких сотен нанометров. При этом частоты первичного ПГС не изменяются, поскольку величина периода в ПГС секции не зависит от координаты Y.

Генерация n стабильных фазовых состояний, эквидистантно разнесенных на величину 2p/n с одинаковой интенсивностью, предоставляет возможность для кодирования информации в координатах интенсивность-фаза применительно к квантово-информационным задачам.

ПГС-ССФ может быть потенциальным источником для генерации сжатых состояний света и ярких запутанных состояний света.

Апробация работы. Результаты, изложенные в диссертации, представлены на Международных и всероссийских конференциях: LM 2002, Novosibirsk, (2002),Workshop on Atom Optics and Interferometry 2002 (Lunteren, Holland), XI Conference on Laser Optics, St. Petersburg, Russia (2003), CLEO2003 (USA, Baltimore), Laser Optic 2003 (St. Petersburg, Russia), 17th European Frequency and Time Forum and 2003 IEEE, International Frequency Control Symposium (Tampa, USA), Second Workshop on Cold Alkaline-Earth Atoms 2003 (Copenhagen, Denmark), CPEM 2004 (London), MPLP2004 (Novosibirsk, Russia), CLEO-Europe 2005 (Munich, Germany), CLEO2006 (USA), ICONO2007 (Минск, Беларусь), AMPL2007 (Томск, Россия), АПЭП 2008.

Результаты, изложенные в диссертации, доложены на семинарах Института лазерной физики СО РАН, Новосибирского Государственного Технического Университета, Института Оптики атмосферы СО РАН (г.Томск), Парижской обсерватории (BNM-SYRTE), Института Национальной метрологии Франции (INM-LNE-CNAM), Массачусетского Технологического Института (RLE-MIT, США), Пизанского университета (Италия), Института Макса Борна (Германия).

Основные результаты, полученные в диссертации, опубликованы в 39 работах, 11 работ опубликованы в ведущих рецензируемых журналах, входящих в утвержденный ВАК перечень научных изданий [1–6, 8, 12-14, 15]. Часть основных результатов отражена в 4 работах в рецензируемых журналах и изданиях [7, 9–11], а также в 24 трудах международных конференций [16-39]. 22 работы из 39 работ по теме диссертации цитируются международной базой данных Scopus.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и двух приложений. Общий объем – 307 страниц, в том числе 293 страниц основного текста с 124 рисунками, 2 приложений и списка литературы..

В первой главе диссертации описан вторичный стандарт частоты для калибровки лазерного спектрометра в Appleton laboratory (Великобритания) на котором производились эксперименты по абсолютному измерению частоты перехода 1S-2S в мюонии.

Мюоний представляет собой простейшую квантовую систему - связанное состояние положительного мюона и электрона. При КЭД- расчетах для мюония отсутствуют проблема адронной структуры ядра, существенная для водорода, и трудности релятивистского расчета, характерные для позитрония. Поэтому исследования, которые проводились совместно с Оксфордским университетом, университетом Гейдельберга, Институтом лазерной физики СО РАН и Appleton laboratory (Великобритания) проводились с измерением частоты перехода 1S-2S в мюонии. Это позволило исключить сложности связанные с внутренней структурой ядра, поскольку лептоны являются бесструктурными точечными частицами. Очевидно, что данные экзотические атомы нестабильны из-за неизбежной аннигиляции электрона и позитрона или распада мюония. Максимально достижимое спектральное разрешение при этом возможно порядка 10^-9, но даже эта точность представляет интерес для сравнения теоретических и экспериментальных результатов.

Для точной настройки частоты лазера на линию двухфотонного поглощения мюония, а также для прецизионного измерения частоты 1S-2S перехода необходимо иметь стандарт частоты в области генерации Ti-сапфирового лазера. Эксперименты с мюонием обычно проводятся на ускорителе, а следовательно, ограничены во времени и требуют повышенной надежности измерительных систем. Поэтому, чтобы не усложнять процесс измерения частоты, необходимо, чтобы частоты стандарта отличались между собой не более, чем на 1 ГГц. Данное требование существенно уменьшает вероятность нахождения подходящего репера. Репер, удовлетворяющий этим требованиям, был найден в парах молекулярного йода при температуре 600С в области 732 нм. Поиск производился при помощи созданного в Институте лазерной физики СО РАН, спектрометра на базе перестраиваемого Ti:Sa лазера.

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).

В работе [45] теоретически исследовались перестроечные характеристики и эффективность преобразования новых периодических устройств на основе 2N структур из тонких пластинок на оптическом контакте при критическом фазовом синхронизме в конфигурации компенсации угла сноса (WOC). Было показано теоретически, что периодическое изменение знака эффективной нелинейности от пластинки к пластинке приводит к увеличению эффективности преобразования при критическом фазовом синхронизме в сравнении с традиционными монолитными кристаллами длиной L_C. 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).

Признаком фильтрующего эффекта является модуляция интенсивности второй гармоники при перестройке длины волны накачки. Этот эффект был предсказан ранее в теоретических работах французского теоретика Ж.Ж.Зонди [45], в которых использовались приближения плоских волн при расчете многоэлементных WOC конфигураций, и рассматривалась зависимость от sinc²(/2N) функции на перестроечных кривых, где = kL_C/2 - полный угол несоответствия фазы [46,47]. В работе [45] было показано, что периодические структуры характеризуются периодическим волновым вектором ошибки (+k,k,+k,k, ...), при этом полоса пропускания перестроечной структуры будет уширена по сравнению с полосой для одиночного элемента. При этом увеличение количества пластинок до 2N будет изменять полосу пропускания WOC системы. В работе [45] было показано, что не sinc² (/2N) функция, а функция пакета будет влиять на передаточную функцию F_N.

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.

Прецизионные делители частоты 31 относятся к новому классу нелинейных преобразователей оптических частот. Динамика делителя частоты определяется двумя процессами, происходящими в резонаторе ПГС. Первый процесс это параметрическая генерация, при которой в ПГС секции происходит распад фотона накачки на два фотона - сигнального () и холостого (). В ГВГ - секции происходит удвоение частоты холостой волны (). 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 x. 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

На рис 1 представлена диаграмма двух возможных процессов, которые могут наблюдаться в системе с конкуренцией двух нелинейностей. Случай (a): осцилляции вблизи точки деления на 3. В этом случае осцилляции имеют место при соотношении частот, и деление осуществляется при или , где диапазон фазового самозахвата. При параметрических осцилляциях возможна дополнительная нелинейная зависимость фазы, которая обусловлена каскадной нелинейностью .

Случай (б) – многомодовые осцилляции, которые могут возникать при отстройке частоты . 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 2w достигает некоторого критического значения, то вторичный ПГС вблизи вырожденного режима, порождает две дополнительных сигнально-холостых частоты (w-d, w+d). Таким образом, в ПГС с составной геометрией нелинейного элемента возможен пятичастотный режим генерации, который будем называть ПГС с внутренней накачкой.

Разность фаз между сигнальной и холостой волной в традиционном ПГС является стохастической величиной, в то время как в ПГС-ССФ она остается постоянной величиной. Более того, теоретический анализ ПГС-ССФ предсказывает три стабильных состояния фазы (j _s,j _p ) разделенных на 2p/3, которые могут наблюдаться при одной и той же интенсивности (). 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].

В работе [45] теоретически показано, что использование внутрирезонаторной каскадной нелинейности c(ПГС):c(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 110.530 mm³ (апертура110.5mm²). 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 L_opt/2 ~ 100 мм диаметр перетяжки составлял w_p=70mm при фокусном расстоянии согласующей линзы между лазером накачки и резонатором 150 мм. Излучение выводилось из резонатора через CaF₂ пластинку.

Кластер трехрезонаторного ПГС наблюдался на положительной стороне () 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 135С. При тонкой подстройке температуры позиция провала перемещалась относительно центра кластера. Если температура PPLN кристалла изменялась, более чем на 0.1С, 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).

При настройке частот ПГС в соотношении (3w, 2w-, w+) где <sс/L, то удвоенная холостая частота способствует образованию новой моды с частотой (2w+ 2, w-2) и т.д. Полоса параметрического усиления ПГС составляет обычно несколько ТГц (в случае некритичного синхронизма), при этом эквидистантно расположенные моды с интервалом 3d могут наблюдаться, поскольку уровень накачки будет достаточным.

40 МГц

Время, мсек

Интенсивность, отн. ед

Рис 4. Самосинхронизация фазы: провал интенсивности и уширение собственной моды резонатора

Время, мсек

Каскадный.

3;1

3;1

Интенсивность, отн.ед.

Рис 5. Анализ двух режимов при помощи конфокального интерферометра Фабри-Перо

Мультикаскадный

режим

Интенсивность, отн.ед.

FSR = 150 ГГц

Одночастотный

режим 3:2:1

Время, мсек

Интенсивность, отн.ед.

Рис 6. Анализ двух режимов работы ПГС-ССФ (многомодового и 3:1) при помощи короткого Фабри-Перо : FSR = 150 GHz, F = 4000. а) Мультикаскадгый режим ,

б) Режим деления частоты на 3

Такие комплексные системы открывают возможность для создания ПГС с синхронизацией мод в широком диапазоне спектра (в диапазоне прозрачности PPLN и PPKTP) c пассивным механизмом синхронизации мод. На выходе ПГС с синхронизацией мод обнаруживаются последовательности импульсов с частотой следования равной FSR резонатора ПГС при условии, что относительная фаза между близлежащими модами зафиксирована, и дисперсия групповой скорости скомпенсирована.

В шестой главе представлены экспериментальные результаты исследования двухрезонаторного параметрического осциллятора с самосинхронизацией фазы с накачкой второй гармоникой Nd:YAG лазера в области 532 нм.

Для создания двухрезонаторного ПГС-ССФ была выбрана нетрадиционная конфигурация, в которой величина периода в ГВГ секции не является постоянной. При дизайне нелинейного элемента с составной конфигурацией необходимо быть уверенным в том, что два процесса фазового синхронизма хорошо согласованы при одинаковой температуре. Однако сложно предусмотреть, каким образом можно согласовать размеры периодов ПГС и ГВГ секций, исходя из эмпирических уравнений Солмейера. При изготовлении структуры невозможно избежать технологической ошибки, которая может составлять 0.05 A для каждого периода PPLN структуры.

Методика, которая использовалась при дизайне нелинейного элемента, заключается в том, что данная секция PPLN кристалла имела постоянно изменяющуюся величину ГВГ-периода. Достоинством данной методики является возможность постоянной перестройки условий фазового синхронизма в ГВГ-секции при перемещении кристалла вдоль оси Y (рис 7). При фиксированной величине периода ПГС-секции L₁=7.2 мкм, условия фазового синхронизма для ПГС-секции могут достигаться при 170С с ожидаемой температурной полосой в 1.5С. ГВГ-период варьируется вдоль оси Y от L₂=19.45 мкм до 19.85 мкм. Изменение Y-позиции кристалла позволяет эффективно изменять величину периода в разветвленной конфигурации. Это является преимуществом по сравнению с мультитрековым методом , описанным в пятой главе при дизайне трехрезонаторного ПГС-ССФ. Изменение величины периода в разветвленной ГВГ-секции выбрано таким образом, чтобы обеспечить условия фазового синхронизма при изменении температуры в 40С при условии, что позиция кристалла может измениться от середины до одного из краев.

Одним из достоинств разработанной системы ПГС является выбранная конструкция резонатора. Стоит отметить, что после настройки, данная конструкция не нуждалась в юстировке в течение полутора лет. При конструировании механических элементов резонатора необходимо учитывать влияние вибраций, температурных градиентов, а также воздушных конвекционных потоков, которые имели место в данной системе, поскольку рабочая температура кристалла лежала в области 170-205 С.

Рис 7. Схема экспериментальной установки двухрезонаторного ПГС-ССФ. PZT – пьезоэлемент, BP – фильтр, пропускающий частоту накачки; LP1, LP2 – фильтры, пропускающие частоту холостой и сигнальной волны соответственно.

Поиск режима деления частоты на 3 происходил следующим образом: на первом этапе работы мы изменяли температуру кристалла пошагово с интервалом в 0.1^oC в диапазоне от 200 до 207^oС при фиксированной мощности накачки 100 мВт. На втором этапе работ на каждом шаге, после стабилизации температуры кристалла, мы включали активную стабилизацию частоты ПГС. В захваченном состоянии измерялясь частота волны накачки и сигнальная частота при помощи l-метра с точностью до 100 МГц . При температуре измерения 203.6С соотношение частот с точностью лямбдометра оказалось равным 3:2:1. При фиксированной температуре и мощности наачки на следующем этапе мы проводили сканирование Y-позиции в кристалле. В одном из положений, которое было немедленно зафиксировано и откалибровано по лимбу, наблюдалось уширение моды резонатора на сигнальной и холостой частотах. На рис 8 представлена запись кластеров ПГС для накачки, сигнальной и холостой волн (сверху вниз). При других температурах кристалла и Y-позициях никогда ранее подобного поведения не наблюдалось.

холостая

сигнальная

развертка

накачка

Интенсивность, отн.ед.

Время, мсек

Рис. 8. Уширение моды резонатора сигнальной и холостой волны.

При более тщательной юстировке кристалла по всем координатам и по позиции кристалла относительно перетяжки пучка накачки в резонаторе и увеличении мощности накачки до N = 10 мы получили картину, которая уже наблюдалась ранее в другой системе (с накачкой MOPA области 842 нм).

Действительно, провал интенсивности, идентичный [48], возникал при превышении мощности накачки над пороговой в 10 раз (рис 9). В этом случае мы не наблюдали никакого насыщения выходной мощности сигнальной волны в отличие от каскадного режима. Поведение кластеров, как на сигнальной, так и холостой частотах было идентичным. Диапазон самозахвата фазы линейно увеличивался при увеличении мощности накачки. При N>20 система дестабилизировалась, и мы экспериментально наблюдали Hopf-осцилляции (рис 10).

сигнальная

развертка

холостая

Интенсивность,отн.ед.

Время, мсек

Рис 9. Режим самосинхронизации фазы в двухрезонаторном ПГС. Наблюдается провал интенсивности и уширение моды резонатора .

холостая

сигнальная

развертка

Интенсивность,отн.ед.

Время, мсек

Рис10. Хопф– осцилляции в ССФ-ПГС при N = 20.

холостая

развертка

сигнальная

Интенсивность,отн.ед.

Время, мсек

Рис 11 . Максимальное уширение моды резонатора при увеличении мощности накачки. Хопф-осцилляции при N=30.

сигнальная

внутрирезонаторные биения

холостая

Интенсивность, отн.ед.

Время, мсек

Рис.12. Внутрирезонаторные биения на выходе ПГС-ССФ в области 80-110 МГц.

При дальнейшем увеличении мощности накачки до N=30 наблюдалось максимальное уширение центральной моды резонатора, при этом Хопф-сцилляции наблюдались во всем диапазоне предполагаемого фазового самозахвата, что подтверждает факт полной дестабилизации системы (рис 11).

Внутрирезонаторные биения на частоте от 80 до 110 МГц были получены на pin фотодиоде между удвоенной холостой и сигнальной частотой прямо на выходе резонатора ПГС при мощности накачки 700 мВт. Биения наблюдались как на анализаторе спектра, так и на осциллографе. На рис 12 биения видны в виде острых пиков на сигнальном треке.

В заключении приведены основные результаты диссертационной работы.

В приложении:

Представлены акты внедрения результатов диссертации, а также документы подтверждающие вклад соискателя при выполнении экспериментов от зарубежных лабораторий.

Похожие диссертации на Источники когерентного инфракрасного излучения для спектроскопии высокого разрешения

Методы контроля кристаллических оптических элементов когерентных источников излученияГорляк Андрей Николаевич

Разработка и исследование приборов для измерения световых параметров источников оптического излучения Кузьмин Владимир Николаевич

Исследование и разработка источника оптического излучения на основе газоразрядной лампы с парами рубидия в квантовых стандартах частотыКалиниченко Юрий Николаевич

Разработка оптоэлектронных систем для измерения 3D геометрии крупногабаритных объектов на основе пространственно-временной модуляции источника оптического излученияДвойнишников Сергей Владимирович

Разработка методов и оптико-электронной аппаратуры автоюстировки бортовой локационной станции с мощным источником лазерного излученияБарышников Николай Васильевич

Разработка и исследование импульсных катодолюминофорных источников оптического излучения Щербаков Александр Владимирович

Система гигиенических требований по ограничению облучения населения Российской Федерации природными источниками излученияСтамат, Иван Павлович

Источники излучения на основе суперлюминесцентных диодов с экстремальными рабочими характеристикамиПрохоров Вячеслав Викторович

Волоконно-оптические гироскопы с эрбиевыми волоконными суперфлуоресцентными источниками излучения Сазонов Александр Иванович

Устройство перемещения и контроля положения источника излучения радиологического аппаратаМакаров, Борис Владимирович