Исследование тепловых и квантовых флуктуационных полей в нелинейно-оптических детекторах терагерцового излучения

на правах рукописиЯкунин Павел ВладимировичИсследование тепловых и квантовых флуктуационных полей внелинейно-оптических детекторах терагерцового излученияСпециальность 01.04.05 - оптикаАвтореферат диссертации на соискание ученой степени кандидатафизико-математических наукМосква - 20132Работа выполнена на кафедре квантовой электроникифизического факультета Московского государственного университетаимени М.В.

ЛомоносоваНаучный руководитель: доктор физико-математических наук доцентКитаева Галия Хасановна.Официальные оппоненты:Доктор физико-математических наук профессорСазонов Сергей Владимирович, НИЦ Курчатовскийинститут, ведущий научный сотрудникДоктор физико-математических наук профессорЧиркин Анатолий Степанович, Физический факультетМГУ имени М.В. Ломоносова, кафедра общей физики и волновых процессов.Ведущая организация:Институт прикладной физики РАН,г. Нижний Новгород.Защита состоится 19 декабря 2013 года в 16 часовна заседании диссертационного совета Д.

501.001.67 при Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова: 119991, Москва, Ленинские горы д.1 стр. 2С диссертацией можно ознакомиться в Фундаментальной библиотеке МГУимени М.В. ЛомоносоваАвтореферат разослан «» ноября 2013 годаУчёный секретарьдиссертационного совета Д. 501.001.67,кандидат физ.-мат. наукА.Ф. Королев3Общая характеристика работыАктуальность темы. Терагерцовый диапазон электромагнитного спектра занимает область спектра с частотами между0.1 · 1012и10 · 1012Гц(длины волн диапазона 3...0.03 мм).

Спектроскопия в данном диапазонедлин волн имеет множество областей применения. В фундаментальных исследованиях основными являются области астрофизических измерений испектроскопии колебательных и вращательных переходов сложных органических веществ. В астрофизических измерениях важная часть спектрареликтового излучения лежит в терагерцовом диапазоне, и для его исследования уже в настоящее время используются методы болометрического детектирования терагерцового излучения. Терагерцовая спектроскопиясложных химических и биологических веществ позволяет исследовать конформационные модификации сложных органических молекул и отличатьдруг от друга структурные изомеры, поскольку характерные частоты переходов между соответствующими состояниями часто попадают в терагерцовый диапазон. Эта особенность спектроскопии в терагерцовом диапазонесоздает пространство для приложений в области безопасности и фармакологии, где различение структурных изомеров является особенно важным.В настоящее время нет свидетельств вреда терагерцовых полей длячеловека, и его высокая проникающая способность и чувствительность кхимическому составу в совокупности со слабыми ионизирующими свойствами превращает терагерцовую спектроскопию в потенциально полезный инструмент в сфере безопасности и в медицине.

Известны проектывычислительных и телекоммуникационных устройств, основанных на терагерцовых фотонных кристаллах и линий связи повышенной пропускнойспособности, работающих в терагерцовом диапазоне.Распространение терагерцовых приложений, однако, сдерживаетсятрудностями при генерации и детектировании терагерцовых полей. Внастоящее время активно разрабатываются различные устройства длягенерации и детектирования терагерцового излучения (ТИ), такие какфотомиксеры,фотопроводящиеантенны,болометры,атакжегруппа4нелинейно-оптических методов, основанных на преобразовании излучениятерагерцового диапазона в оптическое и последующей регистрации оптическими детекторами.Действие нелинейно-оптических детекторов терагерцового излученияосновано на регистрации суммарной или разностной частот, возникающихв нелинейно-оптическом кристалле при взаимодействии оптической лазерной накачки и терагерцового излучения.

При параметрическом преобразовании частоты ТИ сигнальное излучение суммарной и разностной частотыпопадает в оптический диапазон, где регистрируется обычными оптическими фотоприемниками. Подобные схемы хорошо развиты для детектирования импульсного когерентного терагерцового излучения, например, всхемах терагерцовой спектроскопии временного разрешения (ТСВР). Однако нелинейно-оптическое детектирование некогерентного терагерцовогополя, необходимое для ряда приложений, может быть осуществлено только в схемах квазинепрерывного действия, основанных на наносекундномили непрерывном лазерном источнике накачки. Подобные схемы квазинепрерывного детектирования на данный момент активно разрабатываютсяв мире.Процесс преобразования терагерцового излучения в оптический диапазон в нелинейно-оптическом кристалле зависит от параметров кристалла иможет носить синхронный или квазисинхронный характер.

В свою очередь,условия квазисинхронизма в кристалле зависят от его пространственнойструктуры, и это создает возможность для управления спектральными характеристиками отклика нелинейно-оптических терагерцовых генераторови детекторов. В связи с широкой областью потенциальных приложений,существующей для терагерцовых генераторов и детекторов с заданнымспектром отклика, дальнейшие исследования этой темы не теряют своюактуальность.Существенной проблемой в области детектирования терагерцового излучения в настоящий момент является сложность проведения количественных измерений энергетических параметров терагерцовых волн. Наиболеераспространены методы терагерцовой фотометрии, основанные на исполь-5зовании в качестве детекторов сверхпроводящих болометров, ячеек Голеяили пироэлектриков, калибровка отклика которых проводится на основевнешних терагерцовых источников с известными характеристиками.

Создание подобных источников на данный момент не всегда является тривиальной задачей. Кроме того, болометрические измерения требуют охлаждения детектора до гелиевых температур, а ячейки Голея и пироэлектрические детекторы обладают слабой чувствительностью. В то же времяв нелинейно-оптических методах прецизионные измерения энергетическихпараметров терагерцового поля пока затруднены.Методизмерениявеличиныспектральнойяркостивнелинейно-1оптической схеме был предложен в теоретической работе Д.Н.

Клышкодля оптического диапазона и затем реализован экспериментально2,3 . Сутьметода Клышко состоит в использовании в качестве опорного сигнала принелинейно-оптическом детектировании эффекта спонтанного параметрического рассеяния света, мощность которого зависит от параметров нелинейного кристалла, излучения накачки и фундаментальной величины эффективной яркости нулевых флуктуаций электромагнитного вакуума. Дляизмерения спектральной яркости внешнего поля проводились сравнительные измерения мощности сигнального излучения в присутствие и в отсутствие внешнего детектируемого поля, и таким образом измеряемая величина яркости внешнего поля сравнивалась с эффективной величиной яркости нулевых флуктуаций, что позволяло получить абсолютное значениеспектральной яркости измеряемого поля. Однако, существенным отличиемтерагерцового диапазона от оптического при нормальных условиях является высокая яркость тепловых флуктуационных полей, и в оригинальномвиде в терагерцовом диапазоне метод Клышко применяться не может.Целью диссертационной работы являлось исследование тепловых и квантовых флуктуационных полей, участвующих в процессах параметрического преобразования частоты, для разработ-Клышко Д.

Н. Использование вакуумных флуктуаций как эталона спектральной яркости // Квантовая электроника. — 1977. — Т. 4.2Г. Х. Китаева, А. Н. Пенин, В. В. Фадеев, Ю. А. Янайт // Доклады АН СССР, сер. физ. — 1979.— Т. 24. — С. 564.3Аброскина О. А., Китаева Г. Х., Пенин А. Н. // Измерительная Техника. — 1986. — Т. 14, No 3.16ки методов измерения спектральных и энергетических параметров нелинейно-оптических детекторов терагерцового излученияДля решения поставленной цели были сформулированы следующиезадачи диссертационной работы:1. Исследовать спектры параметрического рассеяния (ПР) в терагерцовом диапазоне холостых частот: проверить корректность моделифоновых шумов в детекторе квазинепрерывного терагерцового излучения и установить возможность измерения спектральной яркостинекогерентного терагерцового излучения в нелинейно-оптической детектирующей схеме.2.

Экспериментально исследовать метод измерения спектрального распределения чувствительности нелинейно-оптических терагерцовыхдетекторов на основе спектроскопии ПР.3. Разработатьметодчувствительностиноуправленияосновеспектральнымпроектированияраспределениемпространственногораспределения нелинейно-оптической восприимчивости кристалладетектора.Новизна диссертационной работы заключается в следующих положениях:1.

Установленаприродаихарактерпроявленияшумовыхполейвнелинейно-оптических детекторах терагерцового излучения.2. Разработана и экспериментально проверена модель параметрического рассеяния света при высокой яркости равновесного теплового поляна частоте холостой волны и сильном поглощении в диапазоне холостых волн.3. На основе метода Д.Н. Клышко измерения спектральной яркости оптического излучения предложен метод измерения спектральной яркости терагерцового излучения с использованием эффективной величины яркости нулевых флуктуаций вакуума в качестве эталона.74. Установлена возможность измерения спектрального распределениячувствительности квазинепрерывных нелинейно-оптических терагерцовых детекторов с помощью спектроскопии параметрического рассеяния света.5. Разработан метод управления спектром генерации и детектированиятерагерцового излучения в нелинейно-оптических схемах на основе моделирования пространственной неоднородности величины нелинейной восприимчивости кристалла.Научная и практическая значимость диссертационной работы:1.

Исследован новый метод измерения спектральной яркости терагерцового поля, доступный при комнатных температурах. Данный методможет существенно упростить и повысить точность измерения энергетических параметров по отношению к используемым в настоящеевремя методам фотометрии терагерцового излучения.2. Разработанная методика создания мультичастотных терагерцовыхгенераторов и детекторов имеет широкую область потенциальныхприменений в терагерцовой спектроскопии сложных химических веществ, связанных с управляемым возбуждением колебательных ивращательных состояний комплексных молекул.Положения, выносимые на защиту:1. Присутствие тепловых флуктуационных полей приводит к зависимости соотношения между плотностями мощности стоксовой и антистоксовой компонент сигнального излучения параметрического рассеяния света в области терагерцовых холостых частот от температурыкристалла и терагерцовой частоты.2.

Абсолютная величина спектральной яркости тепловых флуктуационных полей может быть определена по результатам измерения относительных приращений к стоксовым и антистоксовым сигналам параметрического рассеяния, наблюдаемым при параметрическом преобразовании частоты внешнего терагерцового излучения. При этом8эффективная яркость квантовых флуктуаций выступает в качествеэталона.3. Спектральная яркость терагерцового излучения может быть измерена в нелинейно-оптическом терагерцовом детекторе с использованиемяркостей квантовых и тепловых флуктуационных полей в качествереперных величин.4.