Лазерные синтезаторы оптических частот на основе параметрических генераторов света Колкер, Дмитрий Борисович

Введение к работе

Актуальность темы

Инновационный путь развития отечественной научно-производственной базы предполагает переход к новейшему технологическому укладу, базовыми направлениями которого являются наноэлектроника, биотехнологии и информатика. Успешное развитие этих направлений оказывается весьма проблематичным без современного аналитического и метрологического обеспечения, которое в большой степени основывается на прецизионных лазерных технологиях. Уникальные возможности этих технологий обеспечиваются постоянным улучшением характеристик излучения лазерных источников и успехами лазерной спектроскопии, что позволило поставить на практическую основу, например, методики регистрации и идентификации следовых количеств атомов и молекул. В русле этих исследований и разработок лежит очень важная проблема создания на базе лазерных источников излучения основанных на атомных и квантовых явлениях эталонов длины и времени и, соответственно, методов измерения длины волны и частоты излучения.

Прямые измерения частоты, как известно, требуют подсчёта числа электромагнитных колебаний в единицу времени. Для измерения высоких частот требуется техника гетеродинирования, основанная на смешении частот двух генераторов (частота излучения одного из них известна) и измерении генерируемой разностной частоты. Известная частота может быть синтезирована с помощью нелинейного устройства как точная гармоника непосредственно измеряемой более низкой частоты.

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 [1-5]. Исследования показали, что межмодовая частота лазеров с самосинхронизацией мод может быть стабилизирована при синхронизации частотой внешнего высокостабильного генератора

[3].

Для обеспечения связи между стандартом частоты и фемтосекундным синтезатором важными элементами лазерной линейки являются нелинейные преобразователи частоты. Весьма перспективным оказывается и применение параметрических генераторов света, хотя для метрологических целей последние требуют синхронизации фаз сигнальной и холостой волн. Комбинация таких генераторов, при условии синхронизации фазы между сигнальной и холостой, с СКИ лазерами ещё более расширяет возможности частотных измерений и создания многочастотных стабильных реперов, расположенных в широкой области спектра [6-18].

В [21] сообщается о создании трехрезонаторного параметрического осциллятора на основе двухсекционного кристалла из ниобата лития, который накачивался MOPA системой в области 812 нм. Другой эксперимент [20], 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 [20, 21] был экстремально мал для осуществления стабильной работы этих устройств и их практического применения. В ряде работ отмечается возможность использования ПГС-ССФ для генерации сжатых состояний света и ярких запутанных состояний света [21-23].

В традиционном, невырожденном ПГС разность фаз сигнальной и холостой волн являются случайными величинами, которые возникают из-за стохастических процессов [612], происходящих от спонтанных параметрических шумов флюоресценции. В ПГС с самосинхронизацией фазы (ПГС-ССФ) разность фаз между сигнальной и холостой волнами остается величиной постоянной, что позволяет использовать эти устройства в метрологических задачах.

Цель работы

Целью диссертационной работы является разработка, создание и исследование лазерных синтезаторов оптических частот для задач фундаментальной метрологии, спектроскопии высокого разрешения и абсолютного измерения оптических частот от ультрафиолетового до среднего ИК-диапазона с высокой точностью.

Достижение цели потребовало решения следующих задач:

разработки и создания экспериментальной установки для измерения оптических частот с высокой точностью в широком спектральном диапазоне от ультрафиолетового до ИК-диапазона на основе фемтосекундного лазера с f-2f интерферометром

проведение абсолютных измерений оптических частот переходов молекулярного йода в области 532 нм, ⁸⁷Sr и ⁸⁸Sr, измерения изотопических сдвигов в атоме стронция

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

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.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1. 1. Измеренная частота перехода s S₀- 5s5p P₀ в атоме Sr составляет:

   V (5s ²¹ So - 5s5p ³Po) = 429 228 004 235 ± 20 кГц

   1. 2. 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.

      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. 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

      6. При создании синтезаторов оптических частот в среднем ИК-диапазоне кристаллические структуры с компенсацией угла сноса являются альтернативой классическим периодически-поляризованным структурам.

      Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

      1. 5. 1. Впервые измерены частоты переходов атома стронция при помощи фемтосекундного синтезатора с относительной точностью 10^-11.

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

            3. Экспериментально показано, что в ПГС-ССФ может быть использован пассивный механизм стабилизации частоты, который не требует электронных систем фазового захвата.

            4. Экспериментально 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.

               Экспериментально получен пятичастотный режим генерации в двухрезонаторном параметрическом осцилляторе.

               Экспериментально показано, что в пятичастотном параметрическом осцилляторе диапазон перестройки между вторичной сигнальной и вторичной холостой частотами достигает 200 нм.

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

               Научная и практическая значимость работы

               Измерены частоты перехода атома стронция с относительной точностью 10^-11. 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 X ⁽¹⁾ :X⁽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 Ai и A₂ 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 2л/п с одинаковой интенсивностью, предоставляет возможность для кодирования информации в координатах интенсивность-фаза применительно к квантово- информационным задачам.

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

               Публикации и апробация работы. Материалы, отражающие основные результаты,

               полученные в диссертации, опубликованы в 55 работах. 32 работы из 55 цитируются

               международной базой данных Scopus (отмечены звездочкой в списке). 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, SPIE PHOTONICS WEST 2009 (Berlin), Laser Optic 2010 (С.Петербург), ICONO2010 (Казань), АПЭП2010 (Новосибирск).

               Результаты, изложенные в диссертации, лично доложены соискателем на семинарах Новосибирского Государственного Технического Университета и Института Лазерной физики СО РАН, Института Геологии и Минералогии СО РАН, 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), ИТМО (С.Петербург).

               Личный вклад соискателя. Соискателем разработаны и созданы

               полупроводниковые лазеры с внешним резонатором в области 809-830 нм, которые использовались в качестве усилителей отдельных мод фемтосекундного титан-сапфирового лазера. При участии соискателя предложена и создана схема синтеза частот в области 88 ТГц для фемтосекундных оптических часов нового поколения на основе генератора суммарной частоты между Nd:YAG лазером и He-Ne/CH₄ стандартом. Реализована схема оптического гетеродинирования и получен сигнал биений между сигналом на суммарной частоте и полупроводниковым лазером с внешним резонатором в области 809 нм. Реализована фазовая привязка полупроводникового лазера в области 809 нм по сигналу биений. Таким образом, разность частот между полупроводниковым лазером и Nd:YAG лазером точно равна частоте He-Ne/CH4 стандарта.

               При непосредственном участии соискателя создан фемтосекундный синтезатор с f-2f интерферометром для абсолютного измерения частот переходов +Sr и молекулярного йода. Произведены абсолютные измерения частот переходов молекулярного йода в области 532 нм. Проведена серия экспериментов по абсолютному измерению частот переходов атома Sr.

               Соискателем теоретически обоснован механизм пассивной синхронизации мод в ПГС с составной конфигурацией нелинейного элемента из периодически-поляризованной структуры на основе кристалла ниобата лития.

               Соискателем создан параметрический генератор в трехрезонаторной конфигурации с накачкой полупроводниковой системой мастер осциллятор - полупроводниковый усилитель в области 842-845 нм. Получен режим самосинхронизации фазы в трехрезонаторном ПГС, продемонстрирован одночастотный режим осцилляций с делением частоты на 3 и многочастотный мультикаскадный режим (аналог режима синхронизации мод) в ПГС с составной конфигурации нелинейного элемента. Создана система диагностики на основе трех двух интерферометров Фабри-Перо для анализа модовой структуры ПГС. Исследованы

               зависимости диапазона фазового самозахвата от различных факторов: длины волны накачки, температуры, параметра нелинейной связи. Впервые экспериментально продемонстрированы Хопф нестабильности в трехрезонаторном ПГС.

               Соискателем разработан и создан двухрезонаторный ПГС с самосинхронизацией фазы и двухпроходной накачкой второй гармоникой Nd:YAG лазера. Продемонстрирован пятичастотный режим в ПГС составной конфигурации нелинейного элемента, когда первичная сигнальная волна является источником накачки вторичного ПГС. Проанализированы и исследованы все факторы, которые влияют на оптимизацию диапазона перестройки вторичного ПГС при фиксированных параметрах первичного ПГС. Экспериментально исследована область устойчивости двухрезонаторного ПГС с самосинхронизацией фазы с делением частоты на 3. Проведены сравнительные исследования нелинейной динамики двух- и трехрезонаторного ПГС с самосинхронизацией фазы (RLE-MIT, Cambridge, USA и BNM-SYRTE, Париж).

               Соискателем проведена серия экспериментов по исследованию преобразователей частоты на основе периодических структур с компенсацией угла сноса (2N-OCWOC). На основе экспериментальных результатов соискателем показано, что структуры с компенсацией угла сноса являются альтернативой периодически-поляризованным структурам в среднем ИК-диапазоне (BNM-SYRTE, Париж).

               При участии соискателя проведена серия экспериментов по наносекундной параметрической генерации на основе новых нелинейных сред - халькогенидов. Разработан и продемонстрирован параметрический осциллятор с широким (4.7 - 9 мкм) диапазоном перестройки холостой волны (MBI, Berlin) на основе кристалла LiInSe₂ c накачкой мощным импульсным Nd:YAG лазером. Проведена серия экспериментов по исследованию оптических свойств кристаллов - халькогенидов LiInSe₂, LiInS₂ и LiGaS₂. Экспериментально исследованы пороги разрушения этих структур с целью создания высокоэнергетичных ПГС для устройств силовой оптики.

               Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и двух приложений. Общий объем - 277 страниц, в том числе 233 страницы основного текста с 122 рисунками, 2 приложений и списка литературы.

               Похожие диссертации на Лазерные синтезаторы оптических частот на основе параметрических генераторов света

               

               Резонансы насыщенной дисперсии метана с относительной шириной 10Е-9-10Е-12 для задач стандартов частоты и задающий радио генератор на их основеШелковников Александр Сергеевич

               

               Квантовые корреляции импульсного излучения вырожденного параметрического генератора света с синхронной накачкойАверченко, Валентин Александрович

               Исследование широкозонных халькогенидных кристаллов для параметрических генераторов света среднего ИК диапазонаТяжев, Алексей Владимирович

               Нестационарная спектроскопия оптического КЕРР-эффекта на основе четырехволнового смещения широкополосных коррелированных излучений разных частотВодчиц, Александр Иванович

               

               Создание и исследование высокоэффективных фотокатодов и сверхсветовых генераторов электромагнитных импульсов на их основеБрендель Вадим Михайлович

               Химические генераторы синглетного кислорода высокого давления и кислородно-йодные лазеры на их основеЗагидуллин, Марсель Вакифович

               

               Повышение эффективности отстройки критических частот вращения гибких роторов на основе создания специального метода расч#та частотМатвеев Андрей Евгеньевич

               

               Криогенный гармонический фазовый детектор и система фазовой автоподстройки частоты на его основеКалашников Константин Владимирович

               

               Обеспечение допустимого уровня вибраций системы связанных роторов на основе исследования критических частот вращения с использованием модульного принципа Трифонов Федор Михайлович

               

               Исследование коммутирующих устройств на основе искровых промежутков с предельно высокой частотой коммутации и возможностей их примененияБоль Юрген