Диссертация (1102884), страница 17
Текст из файла (страница 17)
Представлены экспериментальные результаты по наблюдению эффекта селективнойвременной компрессии боррманновского и антиборрманновского импульсовпри эффекте дифракционно-индуцированного временного деления. Экспериментальные результаты сопоставлены с результатами аналитическогорасчёта и численного моделирования по методу FDTD. Основные результаты этой главы изложены в работе [134].§ 4.1.Исследование эффекта временного деления при помощикросс-корреляционной функцииДля успешного продолжения исследования эффекта временного деления необходимо было повысить точность измерения временной зависимостиинтенсивности излучения на выходной грани фотонного кристалла. Поэтому экспериментальная установка была усовершенствована: вместо автокорреляционных функций предложено измерять кросс-корреляционнойфункции (рис.
4.1). Метод достаточно известен и широко используется, нотехнически сложнее, чем измерение автокорреляционных функций.99Кроме того, был использован другой титан-сапфировый лазер, обладающий большей средней мощностью (до 400 мВт) и способный генерировать более короткие импульсы (до 40 фс).4.1.1.Установка для измерения кросс-корреляционных функцийКомпрессор 2(25 фс)TiSa 800 нм40 фс, 300 мВтРис. 4.1 :20%Линия задержки(точно)τКомпрессор 1(35 фс)80%λ/2 f = 50 ммЛиния задержки(грубо)ОбразецBBOλ/2ICC(τ)Фотодиодf = 25 ммЭкспериментальная установка, предназначенная для измерения кросс-корреляционной функции излучения, прошедшего сквозь фотонный кристаллСхема экспериментальной установки представлена на рис.
4.1. В качестве источника излучения использовался лазер на основе титаната сапфира (средняя мощность 400 мВт, −поляризация), способный генерировать импульсы длительностью порядка 40 фс. Излучение лазера при помощи интерференционного делителя луча делилось в соотношении 80:20 надва плеча, называемые, соответственно, сигнальное плечо и плечо сравнения.
В каждом плече был собран четырёхпризменный компрессор, сжимающий импульсы света во времени, что необходимо для компенсации дисперсии оптических элементов и обеспечения малой длительности импульсов.Длительность в плече сравнения была установлена на минимальную припомощи автокоррелометра Spectra-Physics PSCOUTSP LR и составила 25фс для плеча сравнения.Излучение сигнального плеча фокусировалось на образец стекляннойлинзой в перетяжку порядка 20 мкм.
Длительность импульса после линзыпри максимальной компрессии в сигнальном плече составила 30 фс.100Образец размещался на 8-координатной оптической подвижке, чтообеспечивает образцу возможность перемещения во всех шести степеняхсвободы твердого тела. Две дополнительные координаты были введены дляудобства: благодаря им возможно было менять положение оси вращенияобразца в плоскости падения излучения. Как правило, данная ось лежала вплоскости входной грани образца и проходила сквозь точку фокуса входнойлинзы.Излучение, вышедшее из образца, при помощи зеркального параболического отражателя преобразовывалось в параллельный пучок и складывалось с излучением плеча сравнения в фокусе сферического зеркала на кристалле бета-бората бария (BBO).
Излучение второй оптической гармоники,генерируемое в кристалле BBO в условиях неколлинеарного синхронизма,выделялось при помощи диафрагмы и детектировалось лавинным фотодиодом. Время задержки между плечами регулировалось автоматизированной точной линией задержки, синхронизированной с фотодетектором.Калибровка линии задержки по времени была произведена с использованием автокоррелометра, работающего в штатной комплектации, а крометого, независимо проверена по задержке импульса, вносимой пластинкойплавленого кварца известной толщины.Для исследования поляризационных свойств изучаемых эффектов вучастках параллельного пучка перед образцом и после него помещалисьдве полуволновые пластинки, таким образом, −поляризация, генерируемая лазером накачки, преобразовывалась в любую наперёд заданную линейную поляризацию и подавалась на образец, а после прохождения образца преобразовывалась обратно в , так как детектирующая аппаратуранечувствительна к любой другой поляризации, кроме горизонтальной всилу условий фазового синхронизма в кристалле BBO, необходимого длягенерации второй гармоники и измерения автокорреляционной функции.Результатом измерения являлась кросс-корреляционная функция вида∫︁(4.1) ( ) = () ( + )где и - интенсивности в сигнальном плече и плече сравнения, соответственно, - время задержки между плечами.
В отличие от автокорреляционной функции 3.1, которая пропорциональна квадрату интенсивности сигнального излучения, кросс-корреляционная функция зависит от101неё линейно, что в условиях низких интенсивностей сигналов позволяетсущественно повысить чувствительность детектора по сравнению с методом измерения автокорреляционной функции, в котором регистрируемыйсигнал зависит от интенсивности квадратично.IS(t)ICC(τ)t12Рис. 4.2 :t12Схематичное изображение временной зависимости интенсивности излучения,имеющей вид двух последовательных импульсов гауссовой формы () и соответствующейей кросс-корреляционной функции ( ).Дополнительным преимуществом метода является возможность восстановить неизвестную зависимость интенсивности от времени при помощидеконволюции: измеряемая функция представляет собой свёртку известнойфункции (интенсивность канала сравнения) и неизвестной функции (интенсивность сигнального канала).В случае, если известная интенсивность излучения в канале сравнения имеет вид одиночного импульса с гауссовой огибающей, измеренный сигнал будет иметь ту же форму, что и реальный сигнал, но будет "размыт"с дисперсией, соответствующей ширине импульса сравнения.
Непосредственно вычисляя интеграл 4.1, легко убедиться, что кросскорреляционная функция полезного сигнала, состоящего из нескольких последовательных гауссовых импульсов, будет состоять из того же числа гауссовых кривых, расположенных в том же порядке, с теми же задержкамимежду максимумами и таким же соотношением амплитуд максимумов, чтои направляемый в кросс-коррелометр сигнал. Подобный сигнал и соответствующая ему кросс-корреляционная функция схематично представленына рис. 4.2. Ширины максимумов полезного сигнала возрастут и будутвыглядеть в кросс-корреляционной функции как согласно формуле√︁(4.2) = 2 + 02где 0 - ширина импульса в канале сравнения.Для проверки работы установки был изготовлен методом электрохимического травления кремния с последующим температурным отжигом102Интенсивность (отн.ед.)фотонный кристалл.
Изготовленный образец состоит из 200 пар слоёв спериодом 800 нм, показатели преломления для −поляризации излучениянакачки 1 = 1.48 и 2 = 1.32. Размеры образца 0.2 × 2.4 × 5.0 мм.1.00.80.60.40.20.0-800 -600 -400 -2000200 400 600 800Время (фс)Рис.
4.3 :Кросс-корреляционная функция импульса, прошедшего через фотонный кри-сталл.Кросс-корреляционная функция излучения, дифрагировавшего наданном образце, представлена на рис. 4.3. Она состоит из двух максимумов практически гауссовой формы, расстояние между которыми составляет 12 = 787 фс. Очевидно, что в образце имеет место эффект временногоделения. Максимумы отчётливо видны, между ними имеется плато, протяжённость которого много больше ширин импульсов, что позволит болеекачественно исследовать особенности формы и положения импульсов, какмы увидим в дальнейшем.Экспериментальная установка предоставлена Институтом спектроскопии Российской академии наук (ИСАН, г. Троицк).4.1.2.Зависимость эффекта временного деления от интенсивности накачкиВ условиях увеличенной мощности накачки, возросшей чувствительности и в увеличенном динамическом диапазоне установки была снова измерена зависимость времени деления от мощности падающего излучения(рис.
4.4), что величина времени деления сохраняется, что подтверждаетлинейность эффекта временного деления.Точки кривой были сняты последовательно при увеличении мощностинакачки. Время измерения всех точек составило 50 минут. Из графика вид-Время деления (фс)1037907887867840100200Мощность (мВт)300Рис. 4.4 : Зависимость времени деления от интенсивности падающего излучения, измеренная при помощи корреляционной функциино, что внутри диапазона, принятого за экспериментальную погрешность,имеется возможность различить осциллирующую зависимость от времени.Имеется соблазн уменьшить величину инструментальной погрешности ипринять данную кривую как физическую реальность. При этом данныеколебания могут быть объяснены изменением параметров лазера со временем, например, по длине волны, что может вызвать колебания фаз присложении сигнального и холостого плеч.
Однако исследования стабильности лазера с подобной точностью не производились и потому инструментальная погрешность экспериментальной установки была принята равной 2фс, что приблизительно соответствует одному периоду колебаний световойволны.§ 4.2.Поляризационная зависимость эффекта временного деления импульсовПри исследовании эффекта временного деления в одномерных фотонных кристаллах на основе пористого оксида кремния была экспериментально обнаружена существенная зависимость эффекта от поляризации()излучения накачки: время деления для −поляризации 12 превосходило()время деления для −поляризации 12 примерно в полтора раза.1044.2.1.Решёточная анизотропия одномерного фотонного кристаллаСогласно рассмотренной в п. 1.2.3 теории динамической дифракции лазерных импульсов в одномерных фотонных кристаллах в геометрии Лауэ, время деления при эффекте временного деления импульсов недолжно зависеть от поляризации исходного импульса.Для теоретического объяснения поляризационной зависимости эффекта временного деления от поляризации импульса необходимо вместоволнового уравнения (1.6) взять волновое уравнение в более общей форме:() 2 E(r, )∇ × ∇ × E(r, ) + 2=02Учитывая известное равенство∇ × ∇ × E(r, ) = −∆E(r, ) + ∇(∇E(r, ))(4.3)(4.4)где ∆ = 2 /2 + 2 / 2 - оператор Лапласа, ∇E = −−1 (∇)E - дивергенция поля E.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
