Диссертация (1103411), страница 20
Текст из файла (страница 20)
В случае толстого кристалла была использованалинза с f=15 см, что дает b = 13.5 мм для λ =1500 нм, при этом p много меньшевремени разбегания импульсов θ и длительность гармоники SH приблизительно равноλ SH =b(up-1 – uSH-1), что приводит к сильной зависимости длительности SH от длиныволны λ из-за дисперсии нелинейного кристалла (кривая 2 на рис.3.3.6.б)(а)Длительность ВГ SH, фсИнтенсивность, отн. ед.Длина волны накачки 0, нм1,00,80,60,40,0210,2-1000-5000500Время, фс1000(б)1380600144015001560L = 2 mmL = 20 mm1620240020010720750780Длина волны ВГ, нмРис.3.3.6.
(а) Автокорреляционная функция импульсов второй гармоники на длиневолны 700 нм (линия 1) и 790 нм (линия 2) на выходе из кристалла LBO толщиной(линия 1) 2 мм и (линия 2) 20 мм. (б) Длительность импульсов второй гармоники какфункция длины волны накачки (верхняя ось абсцисс) и второй гармоники (нижняя осьабсцисс): показано сравнение экспериментальных данных для тонкого (L = 2 мм,кружки) и толстого (L = 20 мм, квадраты) кристаллов, а также теоретическийрасчет для тонкого (пунктирная линия 1) и толстого (пунктирная линия 2)кристаллов.- 98 -Автокорреляционные функции спектрально преобразованных импульсов былиизмерены при помощи кристалла бета-бора бария (BBO) толщиной 0.5 мм.Измеренная автокорреляция гармоники из тонкого кристалла LBO на длине волны700 нм (кивая 1 на рис.3.3.6.а) может быть аппроксимирована гауссом с FWHM(ширина по полувысоте) 73 фс.
В случае толстого кристалла генерируются импульсыс длительностью от 210 до 590 фс в диапазоне длин волн 700 – 820 нм. На рисунке3.3.6.а кривой 2 показана автокорреляционная функция для второй гармоники изтолстого кристалла на длине волны 790 нм, ширина которой составляет 580 фс. Былапостроенаэкспериментальнаязависимостьдлительностиимпульсоввторойгармоники от длины волны накачки для тонкого (точки на рис.3.3.6.б) и толстого(квадраты на рис.3.3.6.б) кристаллов LBO. Результаты прямых измерений хорошосоответствуют теоретическим предсказаниям (пунктирные кривые на рис.3.3.6.б),показывая, что длительность импульсов второй гармоники может контролируемоизменяться от 70 до 600 фс.Другая возможность управления спектральными и временными профилямисверхкоротких импульсов в процессе удвоения частоты была продемонстрировананами в кристалле ниобата лития с периодической доменной структурой (PPLN) сразмерами 0.5х0.5х1.0 мм.
В типичных условиях экспериментов мы использовалиимпульсы Cr:forsterite фемтосекундного генератора на длине волны 1.25 мкм, сэнергией порядка 10 нДж и спектральной шириной около 240 cм1. Эти импульсызаводились в волноводный канал PPLN кристалла с периодом структуры 10.9 мкм. Врезультате нелинейно-оптического взаимодействия в кристалле генерируютсяимпульсы на длине второй гармоники 623 нм с эффективностью порядка 35% иобуженной спектральной шириной линии порядка 60 см1. Далее эти спектральноузкие импульсы могут выступать в качестве излучения накачки или пробной волны всхемах КАРС-спектроскопии.Управление амплитудно-фазовыми характеристиками импульсов в нашихэкспериментах достигалось за счет чувствительности условий фазового согласованиягенерации второй гармоники в PPLN-кристалле к нелинейному фазовому сдвигу,сформированному в нелинейном кристалле полем накачки, а также процессам- 99 истощения накачки [10,233].
Из-за фазовой самомодуляции и фазовой кроссмодуляции импульсов на частоте второй гармоники, фазовое рассогласование междуизлучением накачки на основной частоте и его второй гармоникой становитсянеоднородным в течение длительности импульсов и времени их разбегания [234], чтоприводит к формированию на выходе PPLN кристалла двойного импульса на4,53,01,50,0-0,6 -0,3 0,00,30,686420Время, пс(а)-0,6 -0,3 0,00,3Время, пс0,6Мощность сигнала, отн. ед.6,0Мощность сигнала, отн. ед.Мощность сигнала, отн.
ед.удвоенной частоте излучения накачки.86420-0,6 -0,3 0,0(б)0,3Время, пс0,6(в)Рис.3.3.7. Данные автокорреляционных измерений (а, б, в) импульсов на частотевторой гармоники на выходе из PPLN кристалла при мощности накачки основногоизлучения 5 нДж (а), 8.5 нДж (б) и 10 нДж (в) при помощи методикиинтерференционной автокорреляции: экспериментальные данные представляютточки, а аппроксимация представлена пунктирной линией. Наилучшие результатыаппроксимации получаются для пары импульсов с гауссовой формойгиперболического синуса с длительностями порядка 180 фс, при этом временнойпромежуток между импульсами составляет 400 фс, а отношение их амплитудможет меняться от 1:10 до 1:3.Временная структура световых импульсов характеризовалась с помощьюавтокорреляционных измерений в кристалле BBO длиной 0.5 мм в схеме,аналогичнойинтерферометруМайкельсона(нелинейнаяавтокорреляционнаяинтерферометрия).
На рис.3.3.7.а-в представлены полученные автокорреляционныефункции импульсов второй гармоники, генерируемых в PPLN кристалле дляразличных уровней энергий импульсов накачки на длине волны 1.25 мкм. Как можновидеть из этих измерений, возрастание пиковой мощности импульсов накачкиприводит к искажению временного профиля и формированию явной и хорошоразличимой двух- и трехимпульсной структуры. На рисунке 3.3.7.б представлен- 100 случай формирования двух субимпульсов на частоте второй гармоники, каждый изкоторых имеет гауссову форму с шириной по полувысоте порядка 180 фс, при этомсоотношение импульсов по амплитуде около 1:7, а временной интервал между нимипорядка p 400 фс.Импульсы с двухпичковой временной структурой позволяют разделить вовремени процессы возбуждения и зондирования комбинационных колебаний всхемах, характерных для КАРС-спектроскопии с временным разрешением.
Первыйимпульс из пары служит в качестве импульса накачки, а второй в качествезондирующего импульса, следующий с некоторой временной задержкой. Такимобразом, продемонстрированная возможность управления временной огибающейимпульсов в процессе удвоения частоты в PPLN кристалле позволяет реализоватьметодики время разрешенного подавления нерезонансного сигнала в схеме КАРСспектроскопии долгоживущего комбинационного отклика оптических фононов [168].Таким образом, в работе нами продемонстрировано спектральное сжатие в МСсветоводе фемтосекундных импульсов от Cr:forsterite лазера на длине волны 1.25 мкмдо 65 см-1 (коэффициент сжатия - 3.7), что важно для управления шириной линииволны накачки в схемах спектроскопии когерентного антистоксова рассеяния света.Использование нелинейно-оптических кристаллов позволило расширить областьиспользуемых длин волн фемтосекундной системы в видимый диапазон спектра.Показано, что солитонный самосдвиг частоты в МС-волокнах, накачиваемыхфемтосекундным излучением лазера на кристалле хром форстерита, может бытьсовмещен с процессом генерации второй гармоники в нелинейно-оптическомкристалле, что позволяет получить импульсы с частотой повторения 20 МГц,варьируемой длительностью от 80 до 580 фс и перестраиваемой длиной волны вдиапазоне от 680 до 1800 нм.
Реализованная лазерная система позволяет генерироватьперестраиваемые по длине волны световые импульсы со средней мощностью до 10мВт, что является достаточным уровнем для схем когерентной микроспектроскопиикомбинационного рассеяния света.- 101 §3.4 Трехмерная визуализация распределения плотности когерентныхоптических фононов в алмазной пленке с помощью неусиленных сверхкороткихимпульсовАлмаз является уникальным физическим объектом, используемым во многихобластях оптики и фотоники. Динамика кристаллической решетки алмаза хорошоизучена, и как идеальная модельная система широко используется в физике твердоготела. Благодаря уникальному сочетанию таких свойств, как большая шириназапрещеннойзоны,физическаяихимическаястойкость,совместимостьсбиологическими тканями, алмазные структуры находят широкое применение внелинейной оптике сверхкоротких импульсов, квантовой оптике и информатике, атакже в качестве биомаркеров [235–238].
Алмазная решетка обладает сильнымэлектрон-фононным взаимодействием, проявляющимся в большом сечении процессакомбинационного (рамановского) рассеяния света на оптических фононах решетки.Диагностику таких материалов очень удобно проводить по спектрам рамановскогорассеяния света. Методики когерентного комбинационного рассеяния позволяютрадикально повысить чувствительность регистрации, тем самым открывая путь кэкспрессдиагностикемакроскопическихобъектовсмикроскопическимпространственным разрешением.В данном параграфе продемонстрировано возбуждение оптических фононов вискусственной алмазной пленке толщиной 20 мкм, сформированной методомхимического газофазного осаждения (CVD), с использованием техники КАРСмикроскопии, что может служить удобным протоколом для считывания фононноговозбуждения в устройствах оптической памяти, основанных на алмазоподобныхматериалах. Измерения оптических фононов синтетического алмаза на основеметодик КАРС-спектроскопии также позволяет контролировать локальное качествопленок синтетического алмаза, а также технологию их роста [239–241].Для практического решения задач спектроскопии и микроспектроскопиидолгоживущих оптических фононов были использованы немного разные подходы наоснове уже описанных ранее двух лазерных систем.
Общей платформой обеих систем- 102 служитгенераторфемтосекундныхимпульсовнакристаллеCr:forsteriteиперестраиваемый источник сверхкоротких импульсов на основе явления солитонногосамосдвига частоты в МС световодах. Первый подход заключается в использованииИК импульсов накачки в диапазоне 1.25 – 1.80 мкм для проведения КАРСспектроскопии (рис.3.4.1.а). К преимуществам схемы КАРС-спектросокпии с ИКимпульсами можно отнести возможность диагностики качества материала дляполупроводниковых микроструктур или микросхем на базе кремния или арсенидагаллия, которые непрозрачны в видимой области спектра. Вторая реализуемаяметодика на основе когерентного комбинационного рассеяния света направлена наполучение экспресс изображений микроскопических объектов и структур, поэтомубыстродействие является одним из главных приоритетов в решении данной задачи.Для радикального увеличения чувствительности методики КАРС-спектроскопии вэтом случае используются удвоенные по частоте импульсы накачек (рис.3.4.1.б).Кроме того, формирование импульса на частоте второй гармоники со специфическимпрофилем огибающей позволяет резко поднять спектральную селективность данногоподхода.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
