Диссертация (1102884), страница 15
Текст из файла (страница 15)
Метод отличается хорошим временным разрешением (порядка длительности импульса лазера), а такжеотносительной простотой (стандартный автокоррелометр представляет собой законченный коммерчески доступный прибор).3.1.1.Установка для измерения автокорреляционных функцийЭкспериментальная установка, предназначенная для обнаруженияэффекта временного деления импульсов, изображена на рис. 3.1 (а).
Вкачестве источника использовался лазер на кристалле титаната сапфира,накачиваемый аргоновым лазером. Средняя мощность лазера 100 мВт, длительность импульса 80-150 фс, пиковая мощность порядка 10 кВт. Центральная длина волны перестраивается в диапазоне 720-850 нм. Для контроля параметров излучения используется спектрометр Avesta ASP-100M,а также измеритель мощности.86В качестве детектора излучения использован автокоррелометрSpectra-Physics PSCOUTSP LR.
Его принципиальная схема традиционнадля автокорреляционных измерений и приведена на рис. 3.1 (б). Результатом измерения является автокорреляционная функция второго порядкапо интенсивности 3.1. Внутри автокоррелометра излучение делится на дваплеча по схеме, аналогичной интерферометру Майкельсона. В одном изплеч располагается линия задержки. Излучение обоих плеч фокусируетсяна нелинейный кристалл бета-бората бария (BBO), в котором происходитгенерация второй гармоники в неколлинеарной геометрии.
От излучениякаждого из плеч также генерируется коллинеарный сигнал, поэтому неколлинеарный вклад, пропорциональный свёртке интенсивностей плеч, выделяется при помощи диафрагмы. Таким образом, интенсивность неколлинеарной второй гармоники пропорциональна автокорреляционной функции ( ):∫︁ ( ) = ()( + )(3.1)Независимой переменной является время задержки, пересчитываемое изоптической разности хода плечей интерферометра, определяемой по координате зеркала.Измерение сигнала проводилось при помощи лавинного фотодиода.Сигнал усреднялся по 100 периодам изменения линии задержки.
Погрешность детектора и системы регистрации по интенсивности составляет неболее 10−3 измеряемой величины, потому на нижеприведённых графикахне представлена.Временное разрешение установки ограничивается стабильностьюдлительности импульса лазера и составляет примерно 10 фс. Погрешностьизмерения времени задержки не влияет на эту величину, поскольку определяется точностью определения положения зеркала и составляет 0.1 фс.В методе автокорреляционных функций сравнение экспериментальных результатов с теорией выполнялось следующим образом: по известнымпараметрам структуры и излучения аналитически вычислялась временнаязависимость поля излучения на выходе из образца, затем вычислялась автокорреляционная функция по интенсивности данного излучения.
Аналитическая автокорреляционная функция сопоставлялась с экспериментально измеренной.87(а)(б)TiSa 800 нм100 фс, 80 мВтСпектрометрASP-100Мf=30 ммBBOПрошедшийлучФотодиодОбразецИзмеритель мощностиPM-100 USBДифрагировавшийлучИнтерферометрМайкельсонаРис. 3.1 : (а) — экспериментальная установка, предназначенная для измерения автокорреляционной функции лазерного излучения, прошедшего через образец; (б) — принципиальнаясхема используемого автокоррелометра.Существенным недостатком метода является невозможность однозначного восстановления временной формы вошедшего в автокоррелометризлучения. Лишь в простейших случаях (один импульс с гауссовой огибающей, или два последовательных импульса с близкими интенсивностями)возможно сделать достоверные предположения о форме импульса. Однако,даже для двух последовательных гауссовых импульсов с различающимисяпараметрами невозможно установить последовательность их следования,что может быть важно, если импульсы различны.3.1.2.Наблюдение временного деленияСхема распространения излучения внутри образца представлена нарис.
3.2 (а). Эксперимент производился при следующих параметрах входного пучка: длина волны 800 нм, −поляризация, угол Брэгга 30°, средняямощность регулируется дисковым аттенюатором с серебряным напылениемв пределах 10-100 мВт.Изготовленный методом электрохимического травления кремния споследующим температурным отжигом образец состоит из 375 пар слоёв с периодом 775 нм, показатели преломления для −поляризации 1.32 и1.48. Размеры образца 0.3 × 2.0 × 5.0 мм.Наблюдаемое в эксперименте распространение входящего импульсасвета при соблюдении точного условия Брэгга = = 30 продемонстрировано на рис.
3.2 (б). Образец был сфотографирован для двух угловпадения излучения на фотонный кристалл: = 30 и = 34 . Видно, что88(б)(а)θc(в)t12pabθ=30oθ=34oРис. 3.2 : (а) - схема эксперимента по наблюдению деления фемтосекундных импульсов впрошедшем ( ) и дифрагировавшем () лучах, (б),(в) - фотоснимки распространения лучавнутри фотонного кристалла при углах падения 30°и 34°.при = излучение распространяется в пределах выраженного канала,направленного по нормали к входной грани. При отклонении угла паденияот условия Брэгга ( = 34 ) наблюдается разделение канала на два, расходящихся под разными углами. При достижении боковых граней каналыпереотражаются от них (рис.
3.2 в).Как при точном соблюдении условия Брэгга, так и при отклоненииот него, на выходе из образца формируются два пучка, соответствующиепрошедшему и дифрагировавшему лучам. Визуально заметно, что при точном брэгговском угле падения выходные пучки имеют наиболее правильную форму распределения интенсивности в поперечном сечении. Этот фактможно объяснить тем, что нормальное распространение лучей предполагает меньший проходимый путь, меньшее число пересечений границ слоёви отсутствие переотражений: вдоль оптического пути импульсов накапливается меньше искажений.Измеренные автокорреляционные функции для прошедшего и дифрагировавшего лучей в случае точного соответствия условию Брэгга представлены на рис. 3.3: автокорреляционные функции в каждом из пучков соответствуют зависимости, состоящей из двух последовательных импульсов согласно формуле (3.1). Временная задержка между импульсами12 = 0.59 ± 0.01 и 12 0.57 ± 0.01 пс для прошедшего и дифрагировавшеголуча соответственно.
При большом отклонении от угла Брэгга на выходеиз кристалла наблюдается единственный импульс.Для того, чтобы убедиться в отсутствии иных импульсов, была измерена автокорреляционная функция во всём диапазоне детектора (рис. 3.4).1.0(а)0.80.60.40.20.0-1000-5000500Задержка (фс)1000Интенсивность (отн. ед.)Интенсивность (отн. ед.)891.0(б)0.80.60.40.20.0-1000-5000500Задержка (фс)1000Рис. 3.3 : Экспериментально измеренные автокорреляционные функции излучения, дифрагировавшего на фотонном кристалле: прошедший (а) и дифрагировавший (б) лучи.Интенсивность (отн.
ед.)Видно, что на выходе из кристалла имеется лишь 2 последовательных импульса, расстояние между которыми не превышает 0.7 пикосекунд. Приналичии любого количества импульсов, задержка между которыми превышает 0.7 пс, проявились бы симметричные пики, соответствующие даннойзадержке.1.00.80.60.40.20.0-4000-2000020004000Задержка (фс)6000800010000Рис. 3.4 : Автокорреляционная функция прошедшего через образец излучения во временном диапазоне 5 пикосекундСравним теперь форму импульса, прошедшего сквозь образец с исходным импульсом, падающим на образец. Результаты измерения автокорреляционных функций представлены на рис. 3.5.
Автокорреляционнаяфункция исходного импульса наложена для сравнения на центральный ибоковой максимумы автокорреляционной функции излучения, вышедшегоиз образца. Из сравнения видно, что в пределах разрешающей способностиэксперимента автокорреляционные функции импульсов совпадают как поположению максимумов, так и по интенсивности. Кроме того, имеется сов-90Интенсивность (отн. ед.)падение по форме (отсутствие искажений и одинаковая ширина) среднегои бокового максимума автокорреляционной функции прошедшего излучения, в связи с чем можно говорить об одинаковой форме разделившихсяимпульсов.1.0ПрошедшийИсходный 1Исходный 20.80.60.40.20.0-1000-5000500Задержка (фс)1000Рис. 3.5 : Сравнение автокорреляционной функции излучения, прошедшего сквозь фотонный кристалл, и автокорреляционной функции исходного излучения (продублировано дляудобства сравнения).Итак, короткий импульс света, распространяющийся в условиях брэгговской дифракции в геометрии Лауэ в фотонном кристалле, делится вовремени на два последовательных.
Эффект дифракционного деления импульсов обнаружен экспериментально.3.1.3.Время деления как функция толщины кристаллаДля изучения зависимости времени деления от толщины образца былизготовлен фотонный кристалл с теми же параметрами структуры, что ив случае предыдуших экспериментов. Данный образец был отполированпо нормали к плоскостям слоёв в форме усеченного клина с углом 10°привершине. Длины сторон основания составляли 0.5 и 2.0 мм. При перемещении образца в плоскости слоёв в поперечном направлении относительнолуча толщина образца изменяется, а структура слоёв образца перемещается параллельно самой себе и потому остаётся неизменной. Зависимостьвремени деления импульсов для прошедшего луча от толщины образцаприведена на рис.
3.6. Видно, что зависимость имеет линейный характер.Это подтверждает объёмный характер обнаруженного эффекта временногоделения.0.6t12 (пс)0.50.4t12 (пс)910.60.580.56204060Мощность(mW)0.30.20.100Рис. 3.6 :0.51z (мм)1.52Экспериментально измеренное время деления импульсов в прошедшем луче взависимости от толщины фотонного кристалла и от мощности падающего излучения (вставка).В подтверждение линейности эффекта временного деления импульсов была измерена зависимость времени деления 12 между импульсами отинтенсивности падающего на образец излучения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
