Содержание к диссертации
Введение
1 Открытые оптические диэлектрические резонаторы и влияние сорбционных процессов на их оптические свойства, (литературный обзор) 7
1.1 Диэлектрические резонаторы с азимутальными модами. Краткая классификация 7
1.2 Поверхностные потери. Спектроскопические характеристики гидролизуемых межатомных связей поверхности кварцевого стекла 14
1.3 Сорбционные процессы в тонких пленках на поверхности твердого тела 23
2 Доминирующие оптические потери в сферических диэлектрических резонаторах на азимутальных модах.(теоретический анализ) 37
2.1 Составляющие добротности оптических микрорезонаторов на модах шепчущей галереи 37
2.2 Структура мод, собственные частоты, излучатель-ная добротность, потери в объеме и на поверхностных включениях
2.2.1 Структура мод и собственные частоты 39
2.2.2 Внутренние потери 44
2.2.3 Рассеяние на поверхностных неоднородностях 49
2.2.4 Влияние внешней среды на оптические потери 51
3 Изготовление сферических мини и микрорезонаторов различного размера . 57
3.1 Изготовление с помощью СО2 лазера ИК диапазона. 59
3.2 Изготовление в пламени водородно - кислородной горелки 61
3.3 Обработка кварцевых заготовок особой формы в пламени кольцевой горелки 64
3.4 Обработка кварцевых заготовок особой формы в высокотемпературной части высокочастотного разряда емкостного типа 67
4 Деградация и сохранение оптической добротности азимутальных мод сферических микрорезонаторов в различных условиях 71
4.1 Методы измерения оптической добротности 71
4.2 Деградация оптической добротности микрорезонатора в лабораторной атмосфере 78
4.2.1 Процесс измерений. Обсуждение особенностей эксперимента 78
4.2.2 Результаты. Анализ временной зависимости кривой резонансных частот ОДМР и кривой добротности 82
4.3 Резкое увеличение времени жизни оптической доброт ности в атмосфере чистых газов 86
4.3.1 Газовая изоляция рабочей области 86
4.3.2 Результаты, обсуждение резкого увеличения времени жизни добротности в азоте
4.3.3 Переход в более длинноволновую область, к сферам большего диаметра для снижения влияния поверхности и к аргоновой газовой изоляции резонаторов 90
5 Метод погруженного резонатора для измерения ма лых оптических потерь в жидкостях вблизи поверх ности раздела жидкость-твердое тело . 92
5.1 Измерения 92
5.2 Результаты измерений 94
6 Защищаемые положения.
- Поверхностные потери. Спектроскопические характеристики гидролизуемых межатомных связей поверхности кварцевого стекла
- Внутренние потери
- Обработка кварцевых заготовок особой формы в пламени кольцевой горелки
- Результаты. Анализ временной зависимости кривой резонансных частот ОДМР и кривой добротности
Введение к работе
Актуальность темы
Бурное развитие современной техники связи и компьютерных сетей вызвало массовый переход к оптоволоконным линиям передачи, что подхлестнуло разработку малогабаритных оптических устройств: фильтров, модуляторов, дефлекторов, мультиплексоров и т.д. В настоящее время достаточно полно разработаны принципы построения и создана широкая гамма гибридных: электро- и акустооптических элементов. Однако потребности дальнейшего роста быстродействия систем оптической обработки информации настоятельно диктуют переход к чисто оптическими линейными и нелинейными устройствам, которые, кроме того, открывают путь к значительному сокращению габаритов приборов и уменьшению энергопотребления.
На кафедре МФФИ физического ф-та МГУ было разработано принципиально новое устройство - сферические микрорезонаторы с модами типа шепчущей галереи, сочетающее малый размер, высокую добротность и высокую концентрацию оптического поля.
Как было показано, сферические микрорезонаторы могут быть с успехом использованы для стабилизации диодых лазеров, что позволяет расчитывать на создание в ближайшем будущем компактных перестрае-вымых в широком диапазоне лазеров с очень узкой линией излучения. Кроме того, высокодобротные микрорезонаторы могут быть использованы для создания узкополосных оптических фильтров большой резкости, стабилизации СВЧ генераторов на разностной частоте, а также как чувствительный элемент датчиков температуры, давления, физических и химических свойств окружающей среды.
Все эти приложения весьма чувствительны к такому параметру оптического резонатора как его оптическая добротность. В случае стабилизации лазера внешним резонатором добротность влияет на уровень частотных шумов генератора. Чувствительность детекторов разного рода на основе микрорезонаторов также прямо пропорциональна добротности.
Еще одним важным фактором применимости оптических микрорезонаторов является стабильность параметров резонатора и в частности поддержание добротности на высоком уровне в течении всего срока работы резонатора.
Цель работы
Получение максимально возможной добротности мод оптических микрорезонаторов, определяемой лишь фундаментальными потерями в материале
Разработка методов изготовления и сохранения резонаторов, позволяющих поддерживать их уникальные оптические свойства в течении длительного времени.
Исследование физико-химических эффектов на поверхности резонатора и возможности их практического использования для изучения свойств жидкостей.
Научная новизна работы
Научная новизна определяется следующими наиболее важными из полученных результатов:
Разработана методика изготовления оптических микро и минирезс-наторов с модами типа шепчущей налереи, позволившая достичь добротности мод, ограниченной лишь фундаментальными оптическими потерями в материале. В частности, на длине волны 0.63 микрометра достигнута добротность 8 х 109;
Обнаружена особенность оптических микрорезонаторов: деградация добротности в обычных лабораторных условиях, обусловленная абсорбцией воды. Уменьшение добротности на 70% от исходной за время порядка 100 секунд;
Показано, что высокая добротность на уровне 6 х 109 может сохраняться в течение длительного времени в сухой атмосфере;
Показано, что микрорезонаторы позволяют с высокой точностью измерять малые оптические потери в жидкостях вблизи границы раздела жидкость - твердое тело;
С помощью разработанного метода погруженного резонатора был наблюден эффект порогового изменения оптических потерь в бинарном растворе, обусловленный сольватацией при изменении концентрации компонентов;
Практическая ценность работы
Сферические михро и минирезонаторы могут найти широкое применение для стабилизация диодных лазеров, для создания узкополосных оптических фильтров большой резкости, для стабилизации СВЧ генераторов на разностной частоте, в качестве чувствительных элементов датчиков температуры, давления, измерителей физических и химических свойств окружающей среды и в других областях.
Апробация работы
Научные результаты изложенные в диссертации коррелируют с данными о сорбции атмосферной воды и временных характеристиках разрушения поверхности вследствие коррозии и других воздействий химического характера. Предельные значения оптических добротностей вплотную приближаются к потерям обусловленным фундаментальными потерями в материале.
Результаты работы докладывались на конференциях St.Petersburg'95, Photonics West'98, Ломоносов-2000 Это позволяет считать полученные результаты полностью обоснованными и достоверными
Публикации
По теме диссертации опубликовано пять работ, список которых приведен в конце реферата.
Объем и структура работы.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Общий объем 108 страниц, в том числе 26 рисунков и 3 таблицы. Список литературы содержит 104 наименования.
Поверхностные потери. Спектроскопические характеристики гидролизуемых межатомных связей поверхности кварцевого стекла
Спектры МНПВО дегидратации и последующей регидратации обладают высокой чувствительностью. Избирательный гидролиз кварцевого стекла изучали при температурах 700-1200С [24, 25]. Процесс частично обратим уже при температурах 100С. Регидра-тация после высокотемпературного отжига, достаточно полно удаляющего воду и следы органических загрязнений, затруднена. Дифференциальная спектроскопия МНПВО позволяет обнаружить гидролитические разрывы связей = Si — О — Si = этого водоустойчивого материала уже при 70С. Процесс идет одинаково на механически полированых и травленых стеклах. С повышением температуры гидролитического воздействия до 200С спектр МНПВО в области частот vo-н становится очень интенсивным, и удается получать даже спектр в ближней ИК зоне, появляются полосы поглощения групп SiOH (4540 см-1) и молекулярной воды (5260 см-1). Методически важно, что последующий нагрев при 300С удаляет воду из поверхностного слоя, не меняя при этом поглощение при 4540 см-1, т.е. количество гидролитически разорванных связей не изменяется.
С повышением температуры до 500С гидролитический разрыв связей на поверхности кварцевого стекла идет довольно интенсивно уже в обычных условиях, в этом случае гидролиз происходит в слое стекла толщиной І.бмкм с разрывом всего лишь 0.1-0.3% кремнекислородных связей. Последнее указывает на повышенную сорб-ционную способность малой части связей кварцевого стекла. При использовании процедуры травления стекла не удается избежать некоторой избирательности этого процесса. Это может приводить к завышению найденной концентрации методом НПВО.
ИК спектроскопия МНПВО позволяет наблюдать реакцию избирательного гидролиза кварцевого стекла при низких температурах (70-100С) в отсутствие приложенной механической нагрузки. Спектры МНПВО действительно фиксируют гидролитические разрывы кремнекислородных связей в стекле. Априори образование групп SiOH в указанных мягких условиях можно было объяснить взаимодействием диффундирующих в кварцевое стекло молекул воды с уже имеющимися в нем оборванными межатомными связями или примесными группами. Это, однако, не подтвердилось.
Количество примесей в исследуемых кварцевых стеклах не превышало 10 2% а концентрация активных центров Ю-4 [101]. В то же время, при действии воды в ненагруженных условиях в поверхностном кварце возникает 0.1 — 0.3%, а при более высоких энергетических параметрах до 3 — 5% весовых групп . В ранних работах было сделано предположение, что способность кремнекислородной сетки аморфного кварца к избирательной реакции гидролиза объясняется тем, что связи Si — О энергетически неравноценны. В отличие от кристаллического кварца, имеющего постоянное значение межатомного расстояния Si — О (1,62А), кварцевые стекла характеризуются дисперсией валентных углов Si — О — Si в преде пах 120-180, с максимумом 144 и длинами связей 1,62±0,0бА[26]. С ростом валентного угла длина связи уменьшается, а ее энергия растет. Имеющиеся данные указывают на то, что с водой взаимодействуют наиболее длинные связи кремнекислородных тетраэдров стекла.
Обычно, аморфный кварц рассматривается как трехмерная сетка, состоящая из 5- б- членных силоксановых колец (циклов) [27]. Однако в его спектрах КР, наряду с широкой интенсивной полосой 430-450 см-1, отвечающей колебательному движению в таких кольцах, обнаруживаются слабые полосы 490-495 и 604-606 см-1 [28]. В ранних работах их связывали с дефектами типа разорванных кремнекислородных связей, кислородных вакансий, перекисных группировок или связей Si-Si.
В дальнейшем оказалось что полосы 604-606 см-1 и 490 см-1 связаны с присутствием в аморфном кварце колец аномального строения, состоящих из трех и четырех тетраэдров соответственно. Первые из них это плоские, а вторые - плоские или слабоизогнутые напряженные циклы. Примечательно, что, судя по указанным полосам КР такие аномальные циклы отсутствуют в кристаллическом кварце, а появляются в нем лишь в результате аморфизации [29].
Измерения спектров кварцевых стекол с изотопным замещением вида 160 - 18 О и 28Si —»30 Si показали, что движение в нормальных кольцах, отвечающее полосе 430-450 см-1, обусловлено совместным движением атомов О и Si, а полосы 490 и 605 см"-1 связаны в основном с движением только атомов кислорода в напряженных циклах. Оценки показывают, что в аморфном кварце содержится порядка 1% 3- 4- членных колец [29]. Их концентрация выше в менее равновесной структуре - у стекол с большей структурной температурой.
Избирательный механически стимулированный гидролиз кварцевого стекла в отсутствии приложенной нагрузки происходит именно на таких деформированных связях, причем повышенная гидролитическая активность малой части связей Si-О обусловлена не только их напряженностью, но и сопутствующим ей ростом степени ион-ности связи, что улучшает условия адсорбции на ней воды.
Уже в расплаве стекла вода входит в сетку путем разрыва некоторых связей, в итоге в кварцевом стекле содержащем 0,1% вес. групп ОН, полосы 604 и 490 см-1 оказываются сниженными по интенсивности относительно спектра комбинационного рассеяния без-гидроксильного стекла. Характерно, что избирательный гидролиз кварцевого стекла при 700С проходит тем интенсивнее, чем выше его разупорядоченность. Это различие, обусловленное термической предысторией стекла, может повысить интенсивность гидролиза в три раза.
Внутренние потери
Для изготовления сферических минирезонаторов использовались образцы высокочистого кварца, любезно предоставленного сотрудниками Калифорнийского Технологического Института и отечественного кварца KS-4V. Эти образцы представляли собой небольшие цилиндры сечением до 10 мм2 и длиной до 40мм. Перед использованием кварц очищался травлением в плавиковой кислоте. Травление проводилось в тефлоновой предварительно очищеной пробирке и не прекращалось до тех пор пока с поверхности не оказывался удален слой кварца толщиной в 0,5 миллиметра.
После травления полученные отрезки кварца промывались в дистиллированной воде. Очищенные образцы крепились в особом те-флоновом зажиме и приваривались одним из концов к одному кварцевому стержню длиной до 30 сантиметров в пламени водородной горелки. Затем образец освобождался из зажима и приваривался другим концом ко второму кварцевому стержню. Середина образовавшегося закрепленного с двух сторон отрезка пережигалась. Поверхность полученных удобно закрепленных кусков кварца дополнительно стравливалась на глубину до 0,5 миллиметра для удаления загрязнений, возможно привнесенных при пламенной обработке.
Таким образом получалась первичная заготовка. Вторичная заготовка формировалась следующим образом. Из чистой области первичной заготовки в пламени горелки вытягивалась короткая нить толщиной от 0.1 до 1.0 миллиметра. От основания этого короткого отрезка отмерялось некоторое расстояние и в этом месте вытягивалась нить той же толщины, но существенно большей длины.
Таким образом формировалось цилиндрическое утолщение чистого кварца, подвешенное между двумя тонкими кварцевыми нитями. Далее короткий отрезок нити пережигали, а длинный аккуратно обламывали, стараясь ни в коем случае не прикасаться к утолщению. Полученное изделие использовалось в качестве вторичной заготовки. Ниже описаны методы формирования сфер из заготовок.
Установка для лазерной обработки кварцевых заготовок и формирования диэлектрических микрорезонаторов состояла из СО2 - лазера ИЛГН-704, объектива, фокусирующего его излучение, системы отражающих зеркал, регулируемой подставки для крепления образцов, набора защитных экранов и бинокулярного микроскопа.
В экспериментах луч С 02 лазера, работающего в режиме непрерывной генерации в области ближнего ИК диапазона обладал мощностью 40 Ватт. Инфракрасное излучение собирали с помощью неуправляемой жестко закрепленной системы металлических зеркал фокусировали в некоторую точку, расположенную над местом предполагаемого положения кварцевой заготовки. Зеркала при этом стремились расположить таким образом, чтобы после прохождения через фокус лучи попадали на удаленные от места термической обработки асбестовые экраны, поглощающие и рассеивающие излучение.
Заготовку, которая представляла собой короткий отрезок тонкой нити, вытянутой в пламени газовой горелки из чистого куска кварца крепили на регулируемой подставке. Таким образом вертикально расположенный отрезок можно было плавно вводить в область сфокусированного лазерного излучения, нагревая верхний его конец. При таком нагреве верхняя часть кварцевой заготовки разогревалась до температур плавления и выше, переходя в жидкую фазу.
Это приводило к тому, что силы поверхностного натяжения формировали небольшую жидкую сферу, диаметром от 40 до 300 ми крометров. Для наблюдения за процессом обработки использовался бинокулярный микроскоп закрепленный совместно с подставкой. Такая конфигурация использовалась для того чтобы образец при любых его перемещениях всегда оставался в поле зрения. Несмотря на простоту и кажущуюся чистоту обработки лазерный процесс изготовления диэлектрических микросфер обладает рядом недостатков. Основным является невозможность добиться однородного температурного поля на поверхности образца. Как правило сфокусированные скрещенные лучи лазера прогревали нитевидную заготовку неравномерно, что приводило к отклонениям формы резонатора от сферической.
Кроме того, в ряде случаев неоднородность нагрева вызывала испарение кварца в некоторых частях резонатора. Испарение можно было наблюдать по появлению слабого белого налета на близлежащих предметах, а также по легкому замутнению поверхности кварца. Вдобавок, необходимо было с большой осторожностью подходить к вопросам обеспечения безопасности оператора. Излучение инфракрасного диапазона невидимо вооруженным глазом. Неаккуратность в установке асбестовых экранов, предназначенных для рассеяния и поглощения мощного лазерного излучения могла привести к тому, что один из сфокусированных лучей неожиданно оказался бы за пределами рабочего поля.
Обработка кварцевых заготовок особой формы в пламени кольцевой горелки
В ранее опубликованных работах по кварцевым диэлектрическим микрорезонаторам сообщалось, что их добротность деградирует в лабораторных условиях на временах порядка часа предположительно за счет осаждения пыли и атмосферной воды. Поэтому в моих экспериментах я сосредоточил усилия на сокращении времени to между изготовлением ОДМР и измерением его добротности. В результате отработки навыков юстировки оптической системы и технологии изготовления ОДМР удалось снизить интервал времени о ДО величин мин. Это позволило вплотную приблизиться к собственной добротности резонатора и провести измерения ди намики изменения добротности. Для получения дополнительной информации о кинетике поверхностных процессов на микрорезонаторе мы измеряли временную зависимость смещения резонансных частот мод ШГ ОД MP.
Внешним генератором пилообразных сигналов производилось параллельное смещение одного из зеркал He-Ne лазера в результате чего смещалась частота его генерации. После смешения частот пробного и дополнительного опорного лазеров пучок подавался на ФЭУ1 и затем на двухлучевой осциллограф.
Таким образом ставилась частотная метка. На второй канал двухлучевого осциллографа подавался сигнал с ФЭУ2 отображающий интенсивность переизлучения моды. Смещение частоты определялось по смещению резонансной кривой относительно частотной метки. Кривые воспроизводятся по временным величинам и по характеру в ряде измерений. Как оказалось, важно не допустить непосредственного механического контакта поверхности резонатора с нагружающим призменным элементом. Как правило, результатом такого взаимодействия было появление небольших механических повреждений в точке соприкосновения на которых происходило рассеяние света, запасенного в моде. Это приводило к ограничению добротности сверху величинами от 0,5 до 3 миллиардов в зависимости от размера кварцевой сферы. Чтобы избежать таких повреждений была разработана особая процедура бесконтактного манипулирования резонатором вблизи нагружающей призмы. За манипуляциями с минисферой наблюдали с помощью бинокулярного микроскопа. В поле зрения находилась система нагружающая призма - резонатор и дополнительная призма, установленная для улучшения обзора со стороны резонатора точки предполагаемого контакта. Свежеприготовленную кварцевую сферу устанавливали в особом отверстии те-флоновой подложки и с помощью грубой механической подачи помещали на таком расстоянии, чтобы в дальнейшем смещением камертона было возможно привести ее в соприкосновение с призменным элементом. Затем добивались контакта между ними и настраивали положение сфокусированного на поверхности нагружающей призмы лазерного пучка таким образом, чтобы происходило возбуждение оптических мод резонатора. В дальнейшем местоположение фокуса оптического пучка не меняли. По шкалам микроскопа отмечали точное положение сферы относительно призмы. Резонатор с уже поврежденной поверхностью отводили от призмы, снимали с камертона и устанавливали новый свежеприготовленный резонатор. Новый резонатор помещали в соответствии с метками шкал микроскопа на то же самое место, что и предьщущии и плавно подводили его к поверхности призмы. Наблюдая при этом за отражением лазерного пучка от поверхности призмы можно было заметить момент появления слабого переизлучения оптических мод микросферы.
Результаты. Анализ временной зависимости кривой резонансных частот ОДМР и кривой добротности
Оптические методы исследований широко применяются для изучения процессов, протекающих на границе раздела диэлектриков и жидкостей. С помощью таких методов получают информацию о молекулярной структуре и фазовых переходах в приповерхностном слое. Наиболее развитым является эллипсометрический метод, который позволяет с высокой точностью измерять профили коэффициентов преломления в пограничном слое. Он широко используется в исследованиях процессов смачивания, химической и физической адсорбции. Однако, нередко встречаются ситуации, когда данные измерений мнимой части диэлектрической постоянной могут быть более информативны для понимания внутренней структуры и термодинамического поведения сорбированного вещества. В частности, результаты измерений потерь электромагнитного излучения в водных растворах неэлектролитов в микроволновом, дальнем инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах со всей определенностью указывают на наличие фазового перехода в растворе при превышении некоторой его пороговой концентрации. Нами продемонстрирован новый метод измерения оптических потерь в жидкости с помощью измерений добротности оптических мод шепчущей га лереи микрорезонатора, изготовленного из плавленого кварца и погруженного в изучаемый раствор. Если диаметр резонатора превышает несколько десятков длин волн, то добротность мод шепчущей галереи оказывается ограничена только потерями в материале диэлектрика, из которого изготовлен резонатор, потерями в веществе, окружающем резонатор и рассеянием на поверхностных не-однородностях. Ранее была продемонстрирована величина добротности Q = 1010 в микросферах, изготовленных путем сложной термической обработки из волоконнооптического кварца. Высокая добротность и большая концентрация таких оптических мод электромагнитного поля делают микрорезонаторы удобным инструментом в изучении как свойств материала из которого они изготовлены так и свойств вещества, непосредственно прилегающего к их поверхности. В случае, когда размеры резонатора велики по сравнению с длиной волны, а его поверхность сформирована настолько гладкой, что вклад поверхностного рассеяния в общие потери оказывается пренебрежимо мал, обратная добротность несет информацию об оптических потерях в пограничной области и определяется выражением.
Здесь а.\ и «2 - потери соответственно в резонаторе и в окружающей его среде. К - коэффициент включения, описывающий, какая часть общей запасенной оптической энергии моды циркулирует вне резонатора (58). Первая часть уравнения может быть определена экспериментальным путем с помощью измерений добротно сти сухого резонатора. Коэффициент включения К может быть вычислен по известным геометрическим параметрам резонатора и коэффициентам преломления: вещества в резонаторе и в окружающей среде. Таким образом из зависимости, связывающей обратную добротность оптического микрорезонатора и величины потерь в материале резонатора и во внешней среде, однозначно определяются линейные потери во внешней среде Q2. Для изготовления резонаторов использовалась кислородно-водородная горелка с помощью которой можно было фомировать резонаторы диаметром до 1000 микрометров. Свежеприготовленные резонаторы погружались в специальную ячейку, содержащую исследуемый раствор. Добротность измерялась динамическим способом , который предусматривает непосредственное наблюдение резонансной кривой на экране осциллографа при линейной частотной модуляции измерительного генератора. В качестве измерительного генератора использовался гелий-неоновый лазер ЛГ-52-3, перестраиваемый в пределах доппле-ровской линии усиления газовой смеси на величину до 300 мегагерц пьезотрансляцией одного из зеркал. Измеренная ширина резонансной кривой пересчитывалась в величину оптических потерь в среде.