Введение к работе
j '"'"
Актуальность темы. Лазеры, вызвавшие интенсивное развитие когерентной, нелинейной и силовой оптики и реализацию казавшихся до этого недоступными значений плотности энергии и мгновенной мощности световых полей, а также разрешения по спектру и времени,не только революционно преобразовали оптику как таковую, но и стимулировали существенный прогресс во многих областях знания и современной техники. Развитие науки и техники на всех ее этапах в той или иной мере неизбежно связано с повышением скорости протекания самых различных процессов преобразования энергии, информации и вещества. Свет при исследовании этих процессов играет первостепенную роль. Во многих случаях, как например, при фотосинтезе, или в макетах лазерных термоядерных реакторов, в фотографии или телевидении, свет служит основным носителем энергии и информации. При этом очень быстро развиваемые новые лазерные диагностические методики, использующие нано-, пико- и фемтосекундные импульсы, превратились из экстраординарных в рабочие, и целый ряд новых направлений в оптике, опто-злектронике,спектроскопии и других науках уже не может к настоящему моменту существовать и развиваться без современной лазерной техники. Особое место здесь занимают ультракороткие лазерные импульсы (УКИ) [1а-4а], [1,2], которые за последние десятилетия сжали тестируемые промежутки времени до 10 с ,тем самым довершив к сегодняшнему моменту сокращение на 14 порядков минимального временного интервала, начатого с I секунды 400 лет назад Галилеем.
Особая ценность пико- и фемтосекундных методов исследований связана с тем ,что в наши дни не только научные направления, но и технически важные решения ограничиваются релаксационными процессами, скорости которых до появления лазеров с синхронизацией мод измерялись только косвенными методами.
Из сказанного становится очевидной исключительная важность развития пико- и фемтосекундных методов, обеспечивающих возможность прямых измерений переходных процессов или использования нестационарности для определения скрытых параметров в веществе и приборах.
Таким образом, короткие лазерные импульсы могут быть применены к широкому кругу объектов (газы, жидкости, твердые тела, естественные и искусственные системы, приборы и т.д.) для возбуждения и исследования в них сверхбыстрых процессов (а иногда для управления ими) при высокой селективности выбора среда сопутствующих явлений. Здесь важно подчеркнуть, что такие импульсы могут использоваться и при развитии новых технологий и диагностик. Успешное использование всех возможностей, предоставляемых ультракороткими лазерными импульсами, требует создания развитой инфраструктуры измерительной и регистрирующей аппаратуры.
Эти и ряд других соображении» привели к необходимости развития новых лазерных методик и создания базового комплекта аппаратуры для пикосекундных исследований, названного комплекс ПУЛС (Пикосекундныи Универсальный Лазерный Спектрометр). Термины "пикосекундная спектроскопия", "пикосекундныи спектрометр" сложились чисто исторически из-за первых применений УКИ в спектроскопических исследованиях. В настоящее время эти термины употребляются достаточно часто в связи с разнообразными кинетическими исследованиями, которые скорее можно отождествить с пикосекундной кинетической оптикой.
Видимо, под таким углом зрения следует рассматривать и комплекс ПУЛС, представляющий собой специализированный лабораторный центр для кинетических исследований оптическими методами различных быстрых процессов с разрешением ~10~12с.
Построение комплекса аппаратуры ПУЛС , завершенное в Государственном Оптическом Институте им. С.И.Вавилова в 1985 г. было продиктовано не только необходимостью обеспечения исследований разнообразных нестационарных явлений , но и создания нового поколения аппаратуры, способной стать промышленными прототипами.
Цель работы и основные задачи. Работа посвящена исследованию, разработке и развитию физических принципов и методов пикосекундной кинетической лазерной оптики, направленной на решения задач изучения нестационарных процессов, развивающихся под действием световых импульсов в веществе, а также использование этих принципов и методов для реализации бесконтактной диагностики параметров различных объектов - от
полупроводниковых материалов и устройств микроэлектроники до живых структур In vivo.
При этом в задачи настоящей работы входило:
-исследование физических процессов формирования и синхронизации ультракоротких лазерных импульсов различного спектрального диапазона*
-определение и оптимизация структуры исследовательского пикпсекундного центра;
-разработка алгоритма построения специализированной к кинетическим имерениям многоканальной лазерной и диагностической аппаратуры, а также элементной базы кинетических измерений;
-разработка методик кинетической спектроскопии многоатомных молекулярных объектов и фотоматериалов*
-исследования характеристик молекулярных систем в лазерных полях, процессов, протекающих в молекулярных центрах при развитии лазерной генерации и других явлений, в том числе разработка модельных представлений взаимодействия сложных молекул с интенсивными резонансными световыми ПОЛЯМИ*
-исследование процессов формирования скрытого изображения в голографических фотоматериалах.
-развитие новых нестационарных методик и диагностических средств бесконтактного неразрушающего контроля*
Научная новизна работы.
1. Разработана структура и алгоритм работы пикосекундного
комплекса аппаратуры для многопрофильных исследований с
использованием ультракоротких световых импульсов различного
спектрального состава.
-
Разработаны и исследованы медоды многоканальной генерации ультракоротких световых импульсов в различных областях спектра с жесткой оптической синхронизацией между собой.
-
Разработан и исследован многоканальный лазерный источник пикосекундных импульсов, впервые реализованний в вида объемной конструкции, отличающейся повышенной жесткостью и стабильностью.
-
Предложена новая схема перестраиваемого по частоте лазера с компенсацией разворота волнового фронта при использовании в качестве селективного элемента резонатора диффракционной решетки.
-
Разработаны и экспериментально апробированы многоканальные экспресс-методики исследования процессов преобразования световой энергии в сложных молекулярных системах и фотоматериалах.
-
Разработаны физические принципы пикосекундной нестационарной дефектоскопии материалов и синтетических структур. Впервые методы пикосекундной дефектоскопии применены для контроля параметров полупроводниковых материалов и структур современной микроэлектроники и показана возможность ее использования при подготовке производства и непосредственно в технологическом цикле, а также для аттестации готовой продукции.
Практическая значимость проведенных исследований.
-
Создан и введен в эксплуатацию комплекс ПУЛС как центр коллективного пользования. Элементная база комплекса ПУЛС использована при решении вопросов унификации оптико-механических элементов и узлов. Ряд разработок, проведенный по программе ПУЛС, внедрен на ЛОМО, НПЗ, УОМЗ, ЛИТМО и ГОИ.
-
Получены новые данные о поведении молекулярных систем в резонансных световых полях, требующие уточнения ряда представлений молекулярной спектроскопии.
3. Экспериментальные исследования кинетики формирования
скрытого изображения позволили предложить новую модель
фотопроцесса в галоидосеребрянных фотоматериалах.
4. Разработан метод экспресс-контроля качества
полупроводниковых материалов и структур. Разработанная методика
передана на объединение электронного производства
"Светлана"(г.Санкт-Петербург).
5. Адаптация методов нестационарной оптической дефектоскопии
к тестированию биообъектов позволила предложить новый клинический
метод диагностики заболеваний мягких тканей человека и животных.
Основные положения, выносимые на защиту.
I. Принципы построения и структура многоцелевого комплекса аппаратуры для пикосекундных кинетических исследований.
2. Совокупность физических принципов и схемных решений
многоканальных лазерных источников ультракоротких импульсов с
оптической синхронизацией вторичных генераторов бегущей волны и
резонаторного типа, работающих в различных спектральных
диапазонах.
3. Явление аномального поведения сложных молекул в растворах
в интенсивных резонансных световых полях в условиях насыщения
поглощения. Модель кооперативного некогерентного парного
взаимодействия молекул с интенсивным резонансным световым полем.
4. Эффект ИК световой сенсибилизации в галоидосеребрянных
фотоматериалах, обнаруженный при исследованитии в пикосекундном
масштабе времени кинетики формирования скрытого изображения.
5. Физические принципы нового направления неразрушающей
дистанционной дефектоскопии - пикосекундаой дефектоскопии
полупроводников, а также развитие этой методики на диагностику
биологических объектов в аспекте медицинских применений.
Личный вклад автора. Автором _ осуществлялись выбор направлений исследований, постановка и решение рассмотренных в диссертации задач. Автор является руководителем всех этапов работы и принимал непосредственное участие в исследованиях и разработках, представленных в докладе, выполненных в период 1970-1990 г.г.
Апробация работы: Основные результаты докладывались на международных III, V и VI симпозиумах по сверхбыстрым процессам в спектроскопии (Минск, 1989* Вильнюс, 1987* Нойбрандербург, 1989)* международной конференции по люминесценцции (Ленинград, 1972)* международной конференции по взаимодействию электронов с сильными электромагнитными полями (Балатонфюред, 1972)* V, VI, VII, VIII, IX, X, XI Всесоюзных конференциях по когерентной и нелинейной оптике (Кишинев, 1970* Минск, 1972* Ташкент, 1974* Тбилиси, 1976* Ленинград, 1978* Киев, 1980* Ереван, 1982)* Всесоюзной конференции "Оптика лазеров" (Ленинград, 1987, 1990)* Всесоюзной школе по пикосекундаой технике (Ереван, 1988)* XVII Всесоюзном съезде по спектроскопии (Минск, 1972)* Всесоюзном симпозиуме "Физические основы управления частотой вынужденного излучения (Киев, 1972)* Венгерской конференции по люминесценции (Сегед,
1976)* всесоюзных конференциях по лазерам на основе сложных органических соединений (Минск, 1975, Душанбе, 1977)* советско-французском симпозиуме по оптическому приборостроению (Москва, Вильнюс, 1989)* II советско-американском семинаре по линейным и нелинейным взаимодействиям лазерного и молекулярной динамике (Москва, Ленинград, 1990)* отраслевых семинарах по комплексу ПУЛС (Ленинград, 1986) и автоматизации оптических приборов (Ленинград, 1987)* международной выставке "Оптика-85" (Москва, 1985)* координационном совете Минвуза СССР по программе "Лазеры" (Ташкент, 1988* Ленинград, 1989)* сессии Совета по нелинейной Оптике при Президиуме АН СССР (Гродно, 1981)* Научном Совете по прикладным проблемам при Президиуме АН СССР (Москва, 1981), ХЫ1 чтениях им.Д.С.Рождественского (Ленинград, 1989),на XIV международной конференции по Когерентной и нелинейной оптике (Ленинград, 1991), на научно-техническом симпозиуме "Оптика-92" (международная выставка "Оптика-92", Москва, 1992).
