Исследование тепловых и квантовых флуктуационных полей в нелинейно-оптических детекторах терагерцового излучения (1103292)
Текст из файла
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.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
