Содержание к диссертации
Список условных сокращений и терминов 5
Введение 6
Глава 1. Оптическая память на основе долгоживущего
стимулированного фотонного эха 18
1.1. Долгоживущее стимулированное фотонное эхо 19
1.2. Кристалл LaF3:Pr - перспективная резонансная
среда для разработки оптических запоминающих устройств
на основе долгоживущего стимулированного фотонного эха 24
1.3. Разработка физических принципов функционирования
оптических запоминающих устройств на основе
долгоживущего стимулированного фотонного эха 28
1.4. Некоторые схемы оптических запоминающих устройств
на основе долгоживущего стимулированного фотонного эха 35
1.5. Оптическая обработка информации и эхо-процессоры 41
Глава 2. Техника и методика эксперимента по исследованию
оптических когерентных переходных и кооперативных явлений 54
2.1. Аппаратура по возбуждению двухимпульсного
обращенного фотонного эха 55
2.2. Экспериментальная установка по возбуждению
и исследованию долгоживущего обращенного фотонного эха 57
2.3. Лазерная система экспериментальной установки
долгоживущего обращенного фотонного эха 62
2.4, Экспериментальные методы многоимпульсного воздействия
на резонансную среду последовательности из бегущих и стоячих волн 65
2.5. Методика получения последовательности когерентных
оптических импульсов
2.6. Однопозиционное оптическое запоминающее устройство
на основе долгоживущего стимулированного фотонного эха 74
Глава 3. Пространственные и спектральные особенности формирования оптических когерентных откликов
и динамических "решеток" неравновесной населенности 77
3.1. Экспериментальное обнаружение "синего"
частотного сдвига в сигналах фотонного эха 79
3.2. Пространственные и спектральные свойства
неравновесных решеток населенности, индуцированных
фемтосекундными импульсами в резонансных средах 87
3.3. Угловая оптическая спектроскопия 95
3.4. Спектрально-концентрационные особенности долгоживущего
стимулированного фотонного эха 99
3.5. "Некогерентное" фотонное эхо в рубине 102
Глава 4. Долгоживущее стимулированное фотонное эхо
и проблемы оптической фазовой памяти 107
4.1. Обращенное долгоживущее стимулированное фотонное эхо 108
4.2. Корреляция формы сигналов долгоживущего
фотонного эха с формой возбуждающих импульсов 112
4.3. Аккумулированное долгоживущее стимулированное
фотонное эхо и оптическая память 122
4.4. Многократное считывание долгоживущего стимулированного
фотонного эха 127
4.5. Обнаружение и исследование многоканального долгоживущего
стимулированного фотонного эха 133
4.6. Проблема локального стирания информации в режиме
долгоживущего стимулированного фотонного эха 137
4.7. Обращенная долгоживущая фотонная индукция 141
Глава 5. Долгоживущее стимулированное фотонное эхо в магнитном и электрическом полях. Поляризационные особенности долгоживущего
стимулированного фотонного эха 145
5.1. Влияние слабого магнитного поля на свойства
долгоживущего стимулированного фотонного эха 145
5.2. Поляризационная выборка информации
в режиме многоканального ДСФЭ 149
5.3. Эффект запирания долгоживущего стимулированного
фотонного эха в присутствии неоднородного электрического поля 154
5.4. Влияние коротких электрических импульсов на формирование
долгоживущего стимулированного фотонного эха 160
5.5. Эффект обращения поляризации обращенного фотонного эха 168
Глава 6. Оптическое сверхизлучение и оптическая память 175
6.1. Схема и условия возбуждения оптического сверхизлучения 176
6.2. Оптическое сверхизлучение в кристалле LaF^Pr 180
6.3. Двухцветное оптическое сверхизлучение кристалле LaF3."Pr 181
Заключение 184
Литература 186
Приложение 209
Список условных сокращений и терминов
АЭ - аккумулированное эхо
АДСФЭ - аккумулированное долгоживущее стимулированное фотонное
ДСФЭ - долгоживущее стимулированное фотонное эхо
КОПЭ - когерентные оптические переходные эффекты
ККЭ - когерентные кооперативные эффекты
ЛЧМ - линейно частотная модуляция
МДФЭ - многократное долгоживущее фотонное эхо
ОФЭ - обращенное фотонное эхо
ОСФЭ - обращенное стимулированное фотонное эхо
ОСЭ - обращенное стимулированное эхо
ОДСФЭ - обращенное долгоживущее стимулированное фотонное эхо
ОСИ - оптическое сверхизлучение
ОФИ - обращенная фотонная индукция
ОЗУ - оптическое запоминающее устройство
ОКОЙ - оптическая когерентная обработка информации
ОКГ - оптический квантовый генератор
ПФЭ - первичное фотонное эхо
СФЭ - стимулированное фотонное эхо
СИП - самоиндуцированная прозрачность
ФЭ - фотонное эхо
ФИ - фотонная индукция
Режим обращения - режим возбуждения стимулированного фотонного
эха в условиях, когда второй и третий возбуждвающие импульсы
противоположно направлены.
Обращенное фотонное эхо - двухимпульсное эхо, возбужденное
последовательностью двух лазерных импульсов, первый из которых
является бегущей волной, а второй - стоячей волной.
Введение к работе
Актуальность темы. Общие понятия и краткая история проблемы. Данная диссертация посвящена когерентным оптическим переходным и кооперативным эффектам в примесных кристаллах и разработке физических принципов оптической фазовой памяти на их основе. Как известно, к числу когерентньїх оптических переходных эффектов (КОПЭ) относятся фотонное эхо (ФЭ), свободно-индуцированный спад (свободная фотонная индукция - ФИ), вынужденная фотонная индукция {блоховская индукция), оптическая нутация и самоиндуцировшшая прозрачность (СИП). К числу когерентных кооперативных эффектов (ККЭ) относятся оптическое сверхизлучение (ОСИ), триггерное оптическое сверхизлучение, сверхрассеяние и сверхмиграция энергии. Объединяющим признаком всех этих эффектов является квадратичная зависимость их интенсивности от числа активных примесных центров. Следует подчеркнуть, что ранее в радиоспектроскопии были известны магнитные аналоги некоторых из оптических переходных эффектов и, прежде всего - спиновое эхо, свободная и блоховская спиновые индукции [1,2]. Тем не менее, вопрос о наблюдении их оптических аналогов не был тривиальным, поскольку формирование КОПЭ происходит, в основном, на электродипольных переходах, а длина волны света намного меньше линейных размеров образцов. Эти особенности возбуждения потребовали от исследователей введения таких понятий как псевдоэлектрический дипольный момент и псевдоэлектрическое поле, а также условий пространственного (фазового) синхронизма. Изучение специфики КОПЭ позволило обнаружить ряд оригинальных эффектов. В частности, наличие у возбуждающих импульсов и генерируемых эхо-сигналов волновых фронтов позволяет осуществить их запись и считывание в виде оптических эхо-голограмм. Поскольку в данной диссертации ставится вопрос о
разработке физических принципов функционирования оптических запоминающих устройств (ОЗУ) на основе фотонного эха (известных как оптические эхо-процессоры), то подавляющее число экспериментов в ней посвящено изучению долгоэкиаущего стимулированного фотонного эха (ДСФЭ). Необходимо отметить, что явление светового (фотонного) эха было предсказано в 1962-63 г.г. в Казанском физико-техническом КФАН СССР проф. У.Х.Копвиллемом и его учеником ~ В.Р.Нагибаровым [3]. В 1964г. оно было впервые обнаружено в кристалле рубина И.Абелла, Н.Кенитом и С.Хартман'ом [4]. Долгое время, вплоть до 1972 года, этот эксперимент был уникальным из-за трудностей резонансного возбуждения среды существовавшими в то время лазерами. Лишь последующее интенсивное развитие лазерной техники и способов управления частотой и длительностью возбуждающих лазерных импульсов привели к появлению нового направления лазерной спектроскопии - оптической эхо-спектроскопии.
Диссертационная работа является результатом многолетних экспериментальных исследований ее автора по изучению КОПЭ и ККЭ в примесных кристаллах с целью последующего создания на их основе быстродействующих и информационно-емких ОЗУ. В ходе экспериментальных исследований физики и свойств переходных явлений в примесных кристаллах автором данной диссертации были получены базовые научные результаты, которые затем были использованы другими исследователями в качестве иллюстраций в нескольких монографиях [5-7]. Кроме того, некоторые эффекты, обнаруженные в ходе выполнения экспериментов по теме диссертации, использованы в качестве основы патентов зарубежных авторов. Так, обнаруженный автором диссертации с коллегами, эффект корреляции фотонного эха [79] использован проф. Т.Моссбергом в качестве прототипа в патенте [8] на оптическое запоминающее устройство, функционирующее на основе долгоживущего стимулированного фотонного эха.
В настоящее время в России только три группы исследователей
(в Казани - в КФТИ Каз.НЦ РАН, в Москве - РНЦ "Курчатовский
институт" и в г. Троицке Моск. Обл. - ИС РАН) ведут методические
базовые исследования вышеуказанных явлений в твердых телах.
Результаты этих исследований проходили всестороннюю взаимную
проверку. За рубежом подобными исследованиями занимаются
многочисленные группы в США, Японии, Франции, Тайваня. При этом
основное внимание уделяется изучению этих явлений в кристаллах,
активированных редкоземельными ионами (РЗИ), поскольку именно они
являются перспективными носителями информации оптических фазовых
эхо-процессоров. Принципиально новые возможности таких процессоров
раскрылись после обнаружения проф. С. Хартманом с коллегами в 1979
году в кристалле ЬаКз:Рг3+ явления долгоживущего стимулированного
фотонного эха (ДСФЭ) [9]. В России такого рода эксперименты были
впервые поставлены автором данной диссертации с коллегами (история
вопроса детально изложена в монографии [6] и обзоре [101]). Таким
образом, выполненное диссертационное исследование, посвященное
экспериментальному исследованию свойств долгоживущего
стимулированного фотонного эха, долгоживущей фотонной индукции и оптического сверхизлучения, которые могут быть использованы в оптических запоминающих устройствах, оказалось востребовано современной наукой, а тема диссертации - актуальна.
Целью диссертационной работы является экспериментальное
исследование свойств фотонного (в основном - долгоживущего) эха,
фотонной индукции и оптического сверхизлучения в кристаллах,
легированных РЗИ и другими парамагнитными ионами и разработка на
основе полученных результатов физических принципов
функционирования ОЗУ.
Научная новизна. Автором диссертационной работы впервые экспериментально обнаружены и изучены свойства:
обращенного ДСФЭ;
обращенной свободной поляризации (обращенной фотонной индукции);
двухцветного оптического сверхизлучения в ван-флековском парамагнетике (LaF3:Pr3+).
В диссертационной работе выполнен ряд экспериментов, существенно расширивших и углубивших знания о свойствах фотонного эха. При этом, автором впервые: а) осуществлен один из двух первых экспериментов по аккумулированному ДСФЭ; б) реализовано многократное считывание сигналов ДСФЭ (в том числе и кодированных) с одной и той же локальной области образца; в) показано, что поляризационные свойства сигналов ДСФЭ в кристалле LaF>Pr3+ позволяют осуществить поканальную выборку информации из ее массива; г) продемонстрирована экспериментальная возможность реализации угловой оптической спектроскопии; д) создана экспериментальная методика "запирания" информации на определенных участках неоднородно уширенной линии в режиме ДСФЭ путем приложения статического или импульсного неоднородного электрического поля.
Научная новизна перечисленных результатов подтверждена многочисленными ссылками в работах других экспериментальных групп на приоритет автора данной диссертации.
Защищаемые научные положения:
Созданный уникальный экспериментальный комплекс позволяет в режиме обращения осуществлять многоплановые исследования в области когерентной оптической спектроскопии в широком диапазоне длин волн;
Несущая частота сигналов первичного фотонного эха в резонансных средах с большим неоднородным уширением (например, - в полимерных пленках, легированных молекулами красителей) изменяется с ростом угла между волновыми векторами коротких
возбуждающих лазерных импульсов, что дает возможность осуществлять угловую оптическую спектроскопию;
Двухимпульсное резонансное воздействие на кристалл рубина двух разнесенных во времени лазерных импульсов, согласование фаз между которыми нарушено вследствие прохождения одного из импульсов через световолокно, приводит к формированию в этом кристалле сигнала "некогерентного" фотонного эха;
Резонансное воздействие на кристалл LaF3:Pr + трех разнесенных во времени лазерных импульсов в условиях, когда второй и третий импульсы являются противоположно направленными, приводит к излучению этим кристаллом сигналов ДСФЭ и долгоживущей фотонной индукции (при нулевой задержке между двумя первыми импульсами) в направлении, обратном направлению первого возбуждающего импульса;
Информативность сигналов ДСФЭ в кристалле LaF3:Pr+ может быть увеличена благодаря его следующим свойствам: а) информация может быть внесена во временную форму 1-го или 2-го возбуждающих импульсов, а затем при считывании 3-им импульсом может быть воспроизведена во временной форме сигнала ДСФЭ, если импульсная "площадь" 6]Ф2 этих импульсов удовлетворяет следующему условию: SinO]^ ** 1,2; б) воздействие в различных направлениях нескольких пар когерентных оптических импульсов с последующим приложением на ту же область образца импульсов, противоположно направленных второму импульсу каждой пары, приводит к генерации этой областью обращенных сигналов многоканального эха; в) блокирование эха в присутствии внешнего статического или импульсного неоднородного электрического поля позволяет, при различных его значениях, записывать информацию на различных участках неоднородно-уширенной линии; г) сигнал ДСФЭ уменьшается почти на порядок,
если поляризация одного из возбуждающих импульсов ортогональна поляризации остальных возбуждающих импульсов;
Сигналы обращенного ДСФЭ в кристаллах ван-флековского парамагнетика можно аккумулировать при резонансном воздействии последовательности идентичных пар возбуждающих лазерных импульсов и одиночного считывающего лазерного импульса, и многократно считывать при резонансном воздействии пары возбуждающих лазерных импульсов с последующим воздействием серии одиночных считывающих импульсов с импульсной "площадью", удовлетворяющей условию Sin0 к 8;
В слабом магнитном поле сигналы ДСФЭ в кристалле ЬаР3:Рг3+ испытывают более чем десятикратное увеличение интенсивности;
Резонансное воздействие на кристалл рубина импульса стоячей волны после резонансного воздействия циркулярно-поляризованного первого импульса бегущей волны приводит к обращению циркулярной поляризации первичного фотонного эха;
Короткоимпульсное резонансное лазерное воздействие пороговой интенсивности на кристалл LaF3:Pr3+ на длине волны лазерного импульса А,=477,7нм вызывает случайное испускание этим кристаллом в двух противоположных направлениях задержанных во времени сигналов двухцветного оптического сверхизлучения (ОСИ) на длинах волн: 477,7нм ("голубое" ОСИ) и 606нм ("оранжевое" ОСИ).
Научная и практическая значимость. В ходе проведенных исследований получены фундаментальные результаты в области когерентной оптики, которые использованы при написании ряда монографий [5-7], патента [8], и обзора [101]посвященных этой теме.
Разработанные (на примере ДСФЭ в кристалле LaF3:Pr3+) способы увеличения плотности записи и регенерации информации, возможности увеличения времени хранения и многократного обращения к ней могут
быть использованы в системах оптической памяти и в оптических эхо-процессорах.
Обнаруженное в кристалле LaF3:Pr3+ оптическое сверхизлучение, по интенсивности значительно превышающее сигнал ДСФЭ, дает возможность использования этого явления в оптических запоминающих устройствах.
Использованный режим обращения при регистрации сигналов ДСФЭ и долгоживущей ФИ в настоящее время широко применяется в экспериментальных исследованиях в области оптической эхо-спектроскопии. Данный режим может также использоваться при конструировании оптических запоминающих устройств на базе фотонного эха, поскольку он позволяет значительно увеличить отношение "сигнал/шум".
Методы исследования. В процессе выполнения исследований по теме диссертации были разработаны и использованы следующие экспериментальные методы:
Метод обращения направления ДСФЭ и других сигналов КОПЕ;
Метод аккумулирования и многократного считывания сигналов ДСФЭ;
Метод многоканального возбуждения ДСФЭ;
Метод оптического сверхизлучения.
По существу, большинство из экспериментальных методов были разработаны в процессе проведения исследований по теме диссертации.
При теоретической интерпретации полученных результатов использовалось (для случая фотонного эха) полуклассическое приближение, когда атомная система считается квантовым объектом, а электромагнитное поле - классическим. При этом резонансная среда считалась оптически тонкой, а взаимодействие атомов через общее поле излучения не учитывалось. Такие условия являются стандартными при теоретическом анализе сигналов фотонного эха. При расчете откликов
резонансной среды на воздействие возбуждающих лазерных импульсов в рамках формализма матрицы плотности использовались метод операторов эволюции и метод супероператоров эволюции.
Для расчета сигналов оптического сверхизлучения также использовался формализм матрицы плотности, в рамках которого выводится основное кинетическое уравнение для приведенной матрицы плотности системы атомов, взаимодействующих через общее поле излучения. При выводе основного кинетического уравнения использовалось приближение Борна-Маркова, которое справедливо в тех случаях, когда эффектами распространения и запаздывания излучения в резонансной среде можно пренебречь. Такие условия хорошо выполняются при наблюдении оптического сверхизлучения в примесных кристаллах.
Связь с базовыми научными направлениями и программами. Исследования по теме диссертации были поддержаны Программой Президиума РАН "Квантовая макрофизика" (2002-2005г.), Программой ОФН РАН "Оптическая спектроскопия и стандарты частоты" (2004-2005г.), грантами РФФИ (в том числе, - грантами № 02-02-16722а (2002-2005г.) и № 05-02-16003а (2005г.)), грантами МНТЦ № 737 (2000-2002г.) и № 2121 (2004-2005г.), российско-белорусским грантом РФФИ № 04-02-81009-Бел.2004а (2004-2005г.). Эта тема является одной из базовых тем КФТИ КазНЦ РАН.
Достоверность. Результаты диссертации получены на надежной аппаратуре, они воспроизведены другими исследовательскими группами, о чем свидетельствуют соответствующие ссылки в отечественных и зарубежных публикациях. Полученные в ходе экспериментов значения физических величин находятся в согласии с данными, установленными другими методами.
Апробация работы. Результаты диссертации докладывались на II, III, IV, V, VI и . VII Симпозиумах по световому эхо и когерентной
спектроскопии (Казань-1981, Харьков-1985, Куйбышев-1989, Москва-1993,
Йошкар-Ола-1997, Новгород Великий-2001), на нескольких
международных конференциях по лазерной физике (LPHYS-1993, 1996, 2001, 2002), на Международных чтениях по квантовой оптике (IRQO-1999, 2001, 2003), на Международных научных конференциях Lasers'97, Lasers'98, Lasers'99, Lasers'2000, на V Международном съезде по выжиганию провалов и спектроскопии (Миннесота, США, 1996г.), на всех Всероссийских молодежных научных школах "Когерентная оптика и оптическая спектроскопия" (Казань, 1997-2004г.), на Всероссийской конференции "Физические принципы и методы оптической обработки информации" (г.Гродно, 1993), на X феофиловском симпозиуме (Санкт-Петербург, 1995г.), на Международных конференциях КиНО (в настоящее время - ICONO) (2001, 2003гг,), и на многочисленных семинарах и отчетных конференциях КФТИ КазНЦ РАН и Казанского госуниверситета.
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 76 статьях, среди которых 46 статей в рекомендованных ВАК журналах в области физики.
Структура и объем. Диссертация объемом 209 стр. состоит из введения, шести глав, заключения, приложения и списка цитируемой литературы. Работа содержит 62 рисунка и 1 таблицу. Список литературы включает 210 наименований.
Краткое содержание диссертации. Во введении обозначен предмет исследования, обоснована актуальность работы, сформулированы цель работы и основные положения, выносимые на защиту. Отмечена научная новизна полученных результатов.
В первой главе представлено общее состояние исследований по ДСФЭ, связанных с использованием этого явления при создании оптических запоминающих устройств и систем оптической обработки информации. Обсуждены физические принципы функционирования оптической памяти и процессоров на основе долгоживущего стимулированного фотонного
(светового) эха, а также проведен анализ современного состояния исследований и перспектив разработок нового класса оптических запоминающих устройств.
Во второй главе приведено описание экспериментальной аппаратуры по исследованию разнообразных эхо-явлений, и обращенной световой индукции. Достоинством созванной аппаратуры является то, что она позволяет формировать и регистрировать сигналы фотонного эха (двухим пульс ного, стимулированного и дол гожи вущего) и световой индукции в направлении, противоположном действию первого возбуждающего импульса. В конструкции, наряду с промышленной аппаратурой, использованы специфические блоки и узлы, созданные диссертантом. Подробно описаны условия работы и характеристики этих узлов, а также различные методы возбуждения сигналов эха, индукции и сверх излучения и особенности их регистрации. На примере однопозиционного оптического запоминающего устройства показана возможность использования явления долгоживущего фотонного эха в системах оптической памяти.
Третья глава посвящена экспериментальному исследованию дифракционных (спектрально-угловых) особенностей фотонного эха и самодифракции в активированных кристаллах и в полимерных пленках, допированных органическими красителями. Исследованы спектрально-энергетические и спектрально-концентрационные свойства фотонного эха. Сообщается о реализации идеи угловой спектроскопии, и о наличии "провалов" интенсивности ДСФЭ в области максимального поглощения спектральной линии концентрированных образцов кристалла LaF3:Pr3+. Описывается метод возбуждения некогерентного эха в рубине.
В четвертой главе изложены результаты исследования физических принципов оптической фазовой памяти, имеющей место в долгоживущем стимулированном фотонном эхе. Показано, что обнаруженное обращенное долгоживущее фотонное эхо позволяет идентифицировать сигнал ДСФЭ
среди многообразия других когерентных откликов, а отсутствие зависимости интенсивности обращенных эхо-сигналов от угла между направлениями первых двух возбуждающих импульсов повышает отношение "сигнал/шум" регистрирующей аппаратуры. Описан эффект корреляция формы сигналов долгоживущего обращенного фотонного эха с формой возбуждающих импульсов. Сообщается о реализации нового метода аккумулирования сигналов долгоживущего фотонного эха и возможности его многократного считывания. Экспериментально показана возможность возбуждения различных вариантов многоканального долгоживущего фотонного эха, позволяющая значительно повысить плотность записи информации в одном и том же объеме образца. Описана методика получения обращенной фотонной индукции (в том числе долгоживущей) в кристалле LaF3:Pr .
В пятой главе исследуются особенности формирования
долгоживущего фотонного эха в зависимости от таких факторов, как внешнее магнитное и электрическое поля, поляризация возбуждающих импульсов, концентрация рабочих центров, влияние электрических, магнитных и тепловых импульсов. Все эти факторы в различной мере влияют на поведение и "энергетику" сигналов фотонного эха и могут быть учтены при разработке систем оптической памяти и оптических процессоров на основе явления фотонного эха. Показано, что в слабых продольных и поперечных магнитных полях происходит почти десятикратное увеличение интенсивности сигналов ДФСЭ в кристалле LaF^Pr3*. Доказано, что для выделения нужной информации, записанной методом многоканального ДСФЭ, может быть использовано свойство фотонного эха уменьшаться почти на порядок, если поляризация одного из возбуждающих импульсов ортогональна поляризации остальных импульсов. Описан экспериментальный метод "запирания" информации, записанной методом ДСФЭ на различных участках неоднородно-уширенной линии при локальном статическом или импульсном
воздействии на кристалл ван-флековского парамагнетика неоднородного электрического поля. Экспериментально доказано обращение поляризации обращенного первичного фотонного эха в рубине.
Шестая глава посвящается экспериментальному исследованию оптического сверхизлучения в кристалле LaP3:Pr3*. Описана аппаратура по его возбуждению и исследованию. Сообщается о первом наблюдении в этом кристалле при температуре 2.2 К сигналов оптического двухцветного (на переходе 3Ht - 3Р0 (длина волны А. = 477.7 нм) и на переходе 3Р0 - 3Н6 (длина волны X = 606нм) сверхизлучения как в прямом, так и в обратном направлениях. Литература включает список цитируемых в диссертации источников. Личный вклад автора в основные публикации. Диссертация написана на основе цикла работ, выполненных с начала 80-х годов. Все основные результаты по теме диссертационной работы опубликованы в работах [79-154]. В большинстве совместных работ автором выполнена основная часть исследования (постановка задачи, изготовление аппаратуры, разработка методики эксперимента, проведение экспериментов, обработка и анализ полученных результатов). Основная часть работ, связанных с теоретической интерпретацией результатов экспериментов, выполнена соавторами.
