Метод повышения чувствительности и точности ИК-фотометрии, основанный на высокоэффективном преобразовании частоты в двухосных нелинейных кристаллах Шайдуко, Анна Валерьевна

Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Шайдуко, Анна Валерьевна. Метод повышения чувствительности и точности ИК-фотометрии, основанный на высокоэффективном преобразовании частоты в двухосных нелинейных кристаллах : диссертация ... кандидата физико-математических наук : 01.04.01 / Шайдуко Анна Валерьевна; [Место защиты: Алт. гос. ун-т].- Томск, 2011.- 126 с.: ил. РГБ ОД, 61 12-1/514

Введение к работе

Актуальность темы. В современных системах ИК-спектрофотометрирования в качестве источников аналитического излучения перспективно использовать перестраиваемые в широком диапазоне спектра и широкополосные источники света. Особого внимания заслуживают параметрические преобразователи частоты фемтосекундных Ti:Sapphire (0,7-1,1 мкм) и CrForsterite (1,25-1,32 мкм) лазеров методами нелинейной кристаллооптики, обеспечивающие генерацию сверхширокополосного излучения в соответствии с законом неопределенности. Поскольку чувствительность и точность фотометрирования связаны с мощностью аналитического излучения, актуальным является поиск путей повышения эффективности параметрических преобразователей частоты. Эффективность параметрических преобразователей частоты ультракоротких импульсов определяется, прежде всего, диапазоном прозрачности и дисперсионными свойствами нелинейных кристаллов, определяющими возможность выполнения условий группового синхронизма в направлении фазового синхронизма для взаимодействующих волн и ограничивающих предельную длину рабочих образцов, которая не должна превышать групповую длину взаимодействия.

Отсутствие до последнего времени эффективных кристаллов, прозрачных как на длинах волн существующих фемтосекундных лазеров, так и в среднем ИК-диапазоне, привело к необходимости разработки двухкаскадных преобразователей частоты ультракоротких импульсов в средний ИК-диапазон, характеризующихся невысокой эффективностью. Вынужденное использование во вторых каскадах одноосных кристаллов зачастую обуславливает малую групповую длину взаимодействия и, как следствие, эффективность. Эта же ситуация имеет место в разработке преобразователей частоты ультракоротких импульсов в пределах среднего ИК-диапазона, таких как генераторы второй гармоники.

Освоение ростовой технологии перспективных широкополосных двухосных кристаллов с высокими нелинейными свойствами, таких как LiInS2, LiInSe2, LiIn(S|._xSe_x)2 и AgGaGeS4, открыло новые возможности в разработке однокаскадных преобразователей частоты ультракоротких импульсов, как в средний ИК-диапазон, так и в его пределах- с улучшенными выходными характеристиками. Характерные для двухосных кристаллов сложные зависимости дисперсионных свойств от направления распространения пучков и наличие существенных различий

в дисперсионных свойствах при переходе от одной разновидности
кристалла к другой позволяют с большей вероятностью, чем в одноосных
кристаллах, выполнить все условия эффективного преобразования
частоты ультракоротких импульсов. Более того, их выполнение
оказывается возможным не в фиксированном направлении, как в
одноосных кристаллах, а в совокупности направлений, образующих
некоторую поверхность второго порядка в объеме двухосных кристаллов.
Это позволяет выбрать направление накачки, соответствующее
наибольшему значению эффективного коэффициента нелинейной
восприимчивости, являющегося третьим по значимости фактором,
определяющим эффективность преобразований. И, наконец, двухосные
кристаллы дают широкие возможности в выборе специфичных условий
синхронизмов, способствующих дальнейшему увеличению

эффективности преобразования частоты.

В силу перспективности, параметрические преобразователи частоты ультракоротких импульсов на основе новых двухосных кристаллов LiInS₂, LiInSe₂, LiIn(S]._xSe_x)₂ и AgGaGeS₄ выбраны в качестве объектов данного исследования.

Сложность изменения дисперсионных свойств в объеме двухосных кристаллов и отсутствие общепринятой системы их классификации с численно определенными границами классов, а также отсутствие общепринятых:

связей между осями кристаллографической и оптической систем координат при описании дисперсионных свойств;

системы классификации разновидностей типов преобразователей частоты;

обозначений поляризаций волн;

подхода к учету вырождения оптических осей;

полной обобщенной системы классификации лоций фазового синхронизма;

общего подхода в нумерации классов лоций фазового синхронизма при отсутствии логической связи нумерации с физическими свойствами двухосных кристаллов, наряду с большим разбросом известных данных о дисперсионных свойствах,

а также отсутствие оптимального алгоритма проектирования обусловили незавершенность проведенных исследований по выяснению возможностей создания однокаскадных преобразователей частоты ультракоротких импульсов на основе двухосных кристаллов с

максимальной эффективностью преобразования частоты.

Целью данной работы является разработка метода повышения чувствительности и точности ИК - фотометрирования, основанного на определении условий высокоэффективного однокаскадного преобразования частоты ультракоротких лазерных импульсов в двухосных нелинейных кристаллах.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

Разработать полную обобщенную систему классификации лоций фазового синхронизма без наложения ограничений на дисперсионные свойства рассматриваемых кристаллов, пригодную для сравнительного анализа возможностей выполнения условий фазового синхронизма и последующего отбора по этому признаку двухосных кристаллов, пригодных для проектирования преобразователя частоты ультракоротких импульсов рассматриваемого типа;
Разработать алгоритм и пакет прикладных программ для расчета и количественного сравнения всей совокупности характеристик двухосных кристаллов, ответственных за эффективность преобразования частоты ультракоротких импульсов;
Провести численную оценку максимальной эффективности генерации второй гармоники ультракоротких импульсов в пределах ИК-диапазона в двухосных кристаллах LilnSj, LiInSe₂, LiIn(Si._xSe_x)₂ и AgGaGeS4-

Методы исследования. Поставленные цели достигались путем использования комплексного подхода. Основным методом исследования являлось численное моделирование, основанное на сравнительном анализе результатов расчетов, использовании известных данных и результатов экспериментальных исследований.

Научные положения, выносимые на защиту: Метод, основанный на полной системе классификации лоций

фазового синхронизма для двухосных нелинейных кристаллов,

позволяет повысить чувствительность и точность ИК-

фотометрирования.

Разработанный алгоритм на основе предложенного метода классификации лоций фазового синхронизма обеспечивает достоверное определение условий высокоэффективного преобразования частоты ультракоротких импульсов.
Использование кристаллов LiInSe₂ и AgGaGeS₄ в ИК-спектрофотометрах на основе генераторов второй гармоники ИК-диапазона предпочтительнее кристаллов LiInS2 и LiIn(S|._xSe_x)₂ в силу 10-

кратного преимущества по эффективности преобразования частоты. 4. Достоверность результатов диссертационной работы обеспечена:

Применением в расчетах моделей среды, обоснованных и подтвержденных данными, которые получены в результате многочисленных экспериментов.
Использованием в расчетах теоретических подходов и приближенных методов, область применения и погрешность которых хорошо известна.
Сравнением теоретических расчетов с экспериментальными данными. Погрешность отклонения находилась в пределах 10-15%.
Сравнением результатов расчетов в частных случаях с теоретическими выводами других авторов.

Связь работы с научными программами и темами. Работа выполнена в рамках Приоритетного направления СО РАН на 2004-2006 гг. «28. Экология и рациональное природопользование. Мониторинг окружающей среды», Проект 28.2.3. «Разработка новых методов, технологий и приборов на основе оптических, радиоволновых и акустических эффектов для контроля природных и техногенных систем, а также для решения специальных задач» (per. №01200408133), на 2007-2009 гг. «7.13. Разработка методов, технологий, технических и аналитических средств исследования поверхности и недр Земли, гидросферы и атмосферы. Геоинформатика», Проект 7.13.1.2. «Развитие методов и технических средств на основе оптических, радиоволновых и акустических эффектов для изучения природных и техногенных систем» (утверждено Постановлением Президиума СО РАН № 40 от 12.02.2007) и Программы VII.63.3 "Климатические изменения в Арктике и Сибири под воздействием вулканизма", Проект VII.63.3.1 "Вулканогенные возмущения атмосферы и изменения климата Сибири и Субарктики: Современное состояние и палеореконструкция" на 2010-2012 гг. (утверждено 17.09.2009 г. ПСО № 260).

Научная новизна:

Разработан новый метод повышения чувствительности и точности ИК фотометров, основанный на определении классификации лоций фазового синхронизма для двухосных кристаллов, исключающий наложение ограничений на дисперсионные свойства рассматриваемых кристаллов.
Определен новый тип лоций фазового синхронизма двухосных кристаллов, одна точка проекции которого на главную плоскость XZ пересекает дугу xz между трижды квазивырожденными оптическими

осями.

Впервые определено положение лоции фазового синхронизма вида 2^й для двухосных кристаллов разного знака.
Впервые показано, что наиболее эффективными при генерации второй гармоники ультракоротких импульсов ИК-диапазона из новых двухосных кристаллов являются кристаллы LiInSe2 и AgGaGeS₄.

Научная ценность полученных результатов заключается в том, что они позволяют для фотометров ИК диапазона продвинуться в понимании возможностей повышения их чувствительности и точности измерений, основанных на преобразованием частоты ультракоротких импульсов при использовании двухосных нелинейных кристаллов. Научная значимость подтверждается включением результатов в число лучших достижений СО РАН 2005 и 2007 гг., а также реферированием статьи Shaiduko A.V., etc. Influence of composition ratio variation on optical frequency conversion in mixed crystals. I. Gradual variation of composition ratio II JOS A B, 2007, V. 24, № 9. P. 2443-2453» в журнале «Ultrafast Science» (США), как одной из лучших статей года.

Практическая значимость результатов работы. Применение метода определения условий высокоэффективного преобразования частоты в двухосных нелинейных кристаллах позволяет на новом качественном уровне анализировать процессы параметрического преобразования длинных и ультракоротких импульсов лазерного излучения, оптимизировать процесс проектирования, адекватно оценить потенциально достижимые технические характеристики и улучшить выходные характеристики преобразователей частоты ультракоротких импульсов. В частности:

Уточнены коэффициенты дисперсионных уравнений для нелинейных кристаллов LiInS₂, LiInSe₂ и AgGaGeS₄₎ что позволяет минимизировать ошибки при определении дисперсионных свойств новых нелинейных кристаллов.
Полученные аппроксимации дисперсионных зависимостей показателей преломления нелинейного кристалла LiInSe2 использованы при разработке генераторов второй гармоники Er³⁺:YSGG и СОг-лазеров с улучшенными энергетическими выходными характеристиками.

3. Разработан пакет прикладных программ, получивший номер гос.
регистрации (NLO-Second Harmonic Generation v.l Программа для ЭВМ.
Св-во №2009611200 от 26 февраля 2009 г.)

4. Разработанные полная система классификациии и пакет прикладных

программ использованы при создании действующих макетов по бюджетным проектам ИМКЭС СО РАН, а также по проектам в рамках международной кооперации с университетами КНР (Харбинский технологический университет и Университет науки и технологий, г. Харбин) и Тайваня (Национальный университет Чиао Тёнг, г. Синчу).

В свою очередь, результаты оценок характеристик преобразователей частоты ультракоротких импульсов позволяют оценить и оптимизировать потенциальные характеристики прикладных спектрофотометрических систем на их основе и, в конечном счете, повысить точность проводимых с их помощью измерений.

Внедрение и использование результатов диссертационной работы. Результаты исследований использованы при написании отчетов Лаборатории экологического приборостроения 2002-2007 гг., Лаборатории геосферно-биосферных взаимодействий 2009-2010 гг., ИМКЭС СО РАН: 2002-2010 гг. и СО РАН 2005 г. и 2007 г. Внедрение результатов работы подтверждается двумя актами, представленными в Приложении 1.

Личный вклад автора. Диссертация является обобщением работ автора по исследованию дисперсионных свойств нелинейных кристаллов и характеристик преобразователей частоты ультракоротких импульсов в период 2002-2011 гг. При получении результатов данной работы автором внесен существенный вклад, состоящий в участии в постановке задач, разработке пакета прикладных программ и проведении численных расчетов, обработке и интерпретации результатов расчетов и экспериментов.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы представлялись, докладывались и обсуждались на международных, всероссийских и региональных конференциях: на V и VI Межд. симп. "Контроль и реабилит. окруж. среды", Томск, 2006 и 2008 гг.; на V и VI Сиб. совещ. по климатоэкол. монитор., Томск, 2003 и 2005 гг.; на IV школе-семин. молод, учен. «Совр. пробл. физики, технол. и инновац. развития», Томск, СФТИ, 2003 г.; на IX Межд. научно-практ. конф. студ., асп. и молод, уч. «Совр. Техн. и технология», Томск, ТПУ, 2003 г.; на VI, VII и IX Межд. конф. «Имп. лазеры на переходах атомов и молекул», Томск, 2003, 2005 и 2009 гг.; на X и XIII Межд. объед. симп. «Оптика атм. и океана. Физика атм.», Томск, 2003 и 2006 гг.; на Межд. конф. «Измерения, моделир. и инф. системы для изуч. окр. среды», Томск, 2004 г.; на VII Рос.-кит. симп. «Лазер, физика и лазер, технологии», Томск,

2004 г.; на Межд. конф. по когерент. и нелин. оптике (ICONO/LAT 2005), С-Петербург, 2005 г.; на XV Межд. симп. по сильноточной электронике, Томск, 2008 г.; на Межд. конф. «Оптика крист. и наноструктур», Хабаровск, 2008 г.; на Всерос. научно-техн. конф. студ., асп. и мол. уч. "Науч. сессия ТУСУР - 2009 и 2010", Томск, 2009 и 2010 гг.; на Межд. конф. «Вычисл. техн. в электрич. и электрон, инженерии», Иркутск, 2010 г.; на Межд. симп. «Взаимод. лаз. изл. с веществом», Чангчунь, 2010 г.; на XIX Межд. конф. по когер. и нелин. оптике, лазерам, их приложениям и технологиям (ICONO/LAT 2010), August 23-26, 2010, Kazan, Russia; на IV Всерос. школе для студ., асп., мол. уч. и спец. по лазер, физике и лазер, технол., 26-29 апреля 2010г., г. Сэров; на XIV Межд. конф. по лазер, оптике «LO-2010», 28 июля 2010г., С-Петербург. Всего сделано 33 доклада, в том числе 16 устных и 8 в моноавторстве.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 20 статей, из них 13 в зарубежной и 7 в отечественной периодической рецензируемой печати (в том числе 19 из списка ВАК), 5 статей в сборниках трудов научных конференций и 33 тезиса докладов, получен номер гос. регистрации на пакет прикладных программ.

Структура, содержание и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, библиографического списка и приложений, подтверждающих внедрение и практическое использование результатов диссертационной работы. Работа изложена на X страницах, включает X таблиц, X рисунков и список библиографических источников из X наименований.