Введение к работе
Актуальность темы.
Полупроводниковые лазеры с селективным внешним резонатором стали стандартным оборудованием современной спектроскопической лаборатории. Развитие технологии и физики инжекционных лазеров (ИЛ) привело к созданию многих типов одночастотных и перестраиваемых источников высококогерентного излучения. Существует большое количество коммерческих систем перестраиваемых одночастотных лазеров. Созданы методы управления спектром инжекционных лазеров, позволяющие использовать ИЛ в системах передачи, хранения и обработки информации, в спектроскопии и метрологии. Успешно разрабатывались методы стабилизации частоты, которые применяются ко многим типам ИЛ - обычным лазерам, излучающим с краев с однородной накачкой; лазерам с брэгговскими зеркалами и неоднородной накачкой по оси резонатора; лазерам, излучающим с поверхности (VCSEL); лазерам с внешней обратной связью. Современный уровень фундаментальных исследований и приложений требует создания на основе инжекционных лазеров систем, обладающих совокупностью свойств: высокой когерентностью, компактностью, большим диапазоном непрерывной перестройки, стабильностью частоты.
В 1978 году было показано (Величанский), что широкая линия генерации инжекционных лазеров может быть существенно, на несколько порядков уменьшена с помощью метода оптической обратной связи. Дальнейшие исследования подтвердили эффективность использования перестраиваемых ИЛ с внешним резонатором или ИЛ, оптически связанных с высокодобротным многопроходным интерферометром, в спектроскопии высокого разрешения. Однако увеличение размеров лазера и связанный с ним рост уровня технического шума ограничивают возможности применений этих высококогерентных источников излучения. В 1989 году группой В.Б.Брагинского в МГУ в качестве высокодобротного интерферометра был предложен микрорезонатор из плавленого кварца (Q=109), в котором можно возбуждать моду «шепчущей галереи», обладающую чрезвычайно низкими потерями из-за высокой прозрачности кварца в ближней инфракрасной области и высокого качества поверхности микрошара, обеспечиваемой поверхностным натяжением. В 1995 было показано, что при высокой добротности моды ее
БИБЛИОТЕКА і
СПет*р«^г j{
спектральный контур расщепляется из-за образования в микрорезонаторе встречной волны (из-за рассеяния на неоднородностях плотности в кварце) и взаимодействия между этими двумя волнами. Одна из волн может быть использована для обратной связи с инжекционным лазером, поэтому возникла потребность в адекватном теоретическом описании такой системы. В 1996 году В.В.Васильев и др. осуществили оптическую привязку инжекци-онного лазера к высокодобротной моде микрорезонатора, а в 2003 году создали прототип малогабаритной системы состоящей из инжекционного лазера и сферического микрорезонатора, оптическая связь с которым осуществлялась через отрезок градиентной линзы. Общая длина системы составила 1 см, а уровень оптической обратной связи 1%, что приводило к изменению порога лазера. Устойчивая генерация в одночастотном режиме при высоком уровне связи с внешним высокодобротным резонатором представлялась ранее принципиально невозможной (Li,Abraham, 1989) из-за амплитудно-фазовой связи в полупроводниковой активной области и связанной с ней неустойчивости на частоте релаксационных колебаний, поэтому интерпретация этого результата представляется важной на пути к созданию малогабаритной лазерной системы.
Составные резонаторы с селективными элементами, позволяющие перестраивать частоту лазера непрерывно, без изменения номера продольной моды, известны со времени создания лазеров на красителе, имеющих большею ширину линии усиления. Применение схем, дающих широкую перестройку частоты с полупроводниковыми лазерами началось с 1986 года (Favre). В (Nilsson, 1990) приведен расчет, показывающий, что простое вращение дифракционной решетки в автоколлимационной схеме вокруг оси, расположенной в стороне от оптической оси резонатора, позволяет значительно увеличить диапазон непрерывной, без модовых скачков, перестройки частоты инжекционного лазера с внешним резонатором. Такой лазер был создан (Labachelerie, 1993) и перестраивался на 2000 ГГц на длине волны 830 нм. Однако существуют другие варианты резонаторов, часто употребляемые с инжекционными лазерами, где вращение селективного элемента было бы простейшим способом увеличить диапазон непрерывной перестройки. Это особенно актуально при создании компактных резонаторов, длиной порядка 1 см и менее.
Во многих применениях, и, в частности, в области лазерного охлаждения атомов, требуется сочетание высокой стабильности и возможности
прецизионной отстройки частоты от атомного резонанса. Магнитооптические ловушки (МОЛ) применяются для формирования ансамблей охлаждённых атомов и исследований в атомной физике, спектроскопии, метрологии, физике конденсированных сред. Ключевым моментом для исследования динамики ловушки является возможность стабилизировать с точностью до долей естественной ширины перехода (у) и быстро переключать частоту лазера в пределах нескольких естественных ширин в окрестности частоты охлаждающего перехода. Кроме того, недопустимо уширение спектра из-за модуляции, необходимой для экстремального регулирования, т.е. следует модулировать частоту опорного резонанса, а не лазера. Реализации двух, принципиально отличающихся методик - 1) стабилизация по опорной ячейке в нулевом магнитном поле с последующим сдвигом частоты с помощью акусто-оптических модуляторов, и 2) стабилизация по переходу между магнитными подуровнями, сдвиг частоты которого пропорционален приложенному полю, - имели как достоинства, так и недостатки. В частности, внутридоплеровский резонанс насыщенного поглощения на циклическом переходе обычно имеет малый контраст (Gould, 1992), что ограничивает параметр стабилизации частоты лазера по этому резонансу. Кроме того, при стабилизации по резонансу, отстройка которого от невозмущенного значения пропорциональна напряженности магнитного поля, в нулевом поле проявлялась особенность, приводящая к искажению линейной зависимости отстройки стабилизированного лазера от напряженности магнитного поля, и не получившая адекватного объяснения.
С момента появления первых работ по внутридоплеровской спектроскопии щелочных металлов в оптически тонкой ячейке (Briaudeau,1996), с характерным расстоянием между окнами ячейки от 10 мкм до 1 мм, был получен ряд теоретических и экспериментальных результатов, демонстрирующих и объясняющих происхождение узких спектральных откликов в пропускании по нормали к окнам ячейки. Это обстоятельство открывает новые возможности для внутридоплеровской лазерной спектроскопии. Новая область исследования - спектроскопия в сверхтонких ячейках, расстояние между окнами которых порядка или меньше длины световой волны и может достигать 10-20 нм, - появилась сравнительно недавно (Сарки-сян,2001).
Цель работы заключалась в разработке и моделировании методов
стабилизации и перестройки частоты высококогерентных инжекционных лазеров для атомной спектроскопии высокого разрешения в области лазерного охлаждения и спектроскопии в сверхтонких ячейках.
Для достижения поставленной цели, в ходе работы решались следующие основные задачи:
Теоретически исследовать зависимость параметр стабилизации частоты в режиме затягивании частоты лазера частотой моды «шепчущей галереи» высокодобротного кварцевого микрорезонатора от условий нагружения. Создать модель, адекватно описывающую соотношение амплитуд и фаз полей в инжекционном лазере и в микрорезонаторе;
Объяснить наблюдаемую в эксперименте устойчивость режима генерации инжекциониого лазера, оптически связанного с высоко добротным микрорезонатором, в условиях большого уровня связи;
Найти оптимальное положение оси вращения селективного элемента в составном резонаторе инжекциониого лазера, обеспечивающее наилучшее согласование частоты моды внешнего резонатора и центральной частоты селектора, а в конечном итоге к увеличению диапазона непрерывной перестройки частоты в следующих схемах резонаторов: схема Литгаана, автоколлимационная схема с призменным голографическим селектором высокого разрешения;
Получить высокий контраст нелинейного внутридоплеровского резонанса и стабилизировать частоту инжекциониого лазера с внешним резонатором по этому частотному реперу. Система стабилизации должна обеспечивать линейность перестройки частоты лазера вблизи частоты охлаждающего циклического перехода и ее переключение в пределах нескольких естественных ширин перехода за характерное время = 1 мс;
Создать одночастотный инжекционный лазер, перестраиваемый в диапазоне 2 000 ГГц на длине волны 920 нм для получения спектров поглощения на переходах 6Рзд-6Вз/2,5/2 в ансамбле атомов Cs находящихся в сверхтонкой ячейке.
Научная новизна и практическая значимость
1. Предложена динамическая модель инжекциониого лазера, оптически связанного с высокодобротным сферическим микрорезонатором из плавленого кварца с учетом расщепления спектра моды микрорезонато-
pa при высоком значении его добротности (>1(Г). Определены параметры системы с оптимальным уровнем стабилизации частоты,
-
Получено общее решение задачи об оптимальной конфигурации внешнего селективного резонатора инжекционного лазера, обеспечивающего непрерывную, без модовых скачков, перестройку частоты генерации в пределах практически всей линии усиления полупроводниковой среды, для чисто вращательного перемещения селективного элемента.
-
Впервые предложена модификация схемы внутридоплеровской спектроскопии насыщенного поглощения, позволяющая наблюдать насыщение поляризации основного состояния мультиплетного уровня, не возмущенное насыщением двухуровнего перехода.
-
Впервые непосредственно зарегистрированы большие Ван-дер-Ваальсовские сдвиги уровней (30 ГГц или 1 см"1) при взаимодействии атома (Cs) с диэлектрической стенкой. Получены оценки констант Ван-дер-Ваальсовского сдвига уровней 6Бз/2,5/2 в атоме Cs, при взаимодействии со стенкой из сапфира или иттрий-аллюминиевого граната.
-
Создан лазерный спектрометр с диапазоном перестройки в одночастот-ном режиме составляющем 2 ТГц (70 см" ) в спектральной области 920 нм, соответствующей высоколежащим переходам в структуре атомных уровней Cs. Универсальная методика перестройки позволяет расширить ее применение на другие труднодоступные диапазоны длин волн.
-
В оптическом диапазоне продемонстрировано когерентное сужение линии, предсказанное в 1955 году\сіїе{ІІот55} и наблюдавшееся в СВЧ диапазоне. Восстановление узких спектральных откликов при толщине ячейки L=X-l/2,X-3/2,... подтверждает когерентность процесса взаимодействия атомов с полем.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. * Построена теория инжекционного лазера, оптически связанного с внеш-
ним высокодобротным резонатором, представляющим собой кварцевую микросферу субмиллиметровых размеров. Результаты расчетов указывают на принципиальную возможность повышения монохроматичности инжекционных лазеров (сужение ширины линии генерации до 10 раз) без изменения их габаритов.
2. Для наиболее употребительных вариантов перестраиваемых инжекци
онных лазеров с внешним селективным резонатором предложены схемы
резонаторов, обеспечивающие перестройку частоты генерации на одной продольной моде в диапазоне частот порядка ширины линии усиления.
-
Предложен и исследован способ формирования контрастного внутридо-плеровского резонанса на циклическом переходе для невозмущающей стабилизации частоты лазера относительно охлаждающего перехода атомов щелочных металлоз в магнитооптической ловушке.
-
В сверхтонкой ячейке в оптическом диапазоне экспериментально обнаружен пространственно когерентный эффект Дике и измерены большие Ван-дер-Ваальсовские сдвиги атомных уровней (30 ГГц или 1 см'1).
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийских и международных конференциях: коллоквиуме Tele Danmark Research (Лингби, Дания, 1994); 23-й Международной Конференции по Квантовой Электронике (IQEC), (Москва, Россия, 2002);
Международной конференции по Лазерам и технологии их применений (ГАТ), (Москва, Россия, 2002).
Кроме того, материал диссертации излагался автором на научных семинарах ФИАН, ИСАН и Лаборатории физики лазеров Института Галилея (Париж, Франция, 2003).
Публикации по теме работы. Перечень публикаций, раскрывающих основное содержание диссертации, содержит 7 печатных работ, в том числе 4 научных статьи и 3 работы в материалах конференций.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и трех приложений, изложенных на 155 страницах машинописного текста. Диссертация включает в себя 56 рисунков, 3 таблицы и список цитируемой литературы из 121 наименований. Общий объем диссертации 171 страница.
