Диссертация (1103411), страница 30
Текст из файла (страница 30)
Рассмотрим для примера расположеннуюна поверхности земли оптическая систему, которая фокусирует пучок радиусом 1.22м на длине волны 350 нм на дистанции 1 км в перетяжку радиусом w0 = 90 мкм, чтосоответствует конфокальному параметру b = Lwalkoff.При таких условиях выигрышсистемы с пикосекундной накачкой и наносекундным импульсом зондирования надполностью пикосекундной системой, используемой в экспериментах, описываетсяпри помощи коэффициента η, определяемый как η=SRSopt/SRSps, где SRSopt сигнал приоптимизированныхусловияхдистанционногозондированиясэнергиейУФ- 150 импульсов накачки 5 мДж и длительностью 20 пс и SRSps – сигнал ВКР-усиления,записанный в эксперименте с азотом для импульсов с длительностью 0.7 пс иэнергией 2.5 мкДж, при длине взаимодействия 150 мкм и диаметр пятна в перетяжке12.5мкм.Оценимпотенциальныевозможностиреализациидистанционнойспектроскопию некоторых газов - угарного, сернистого, двуокиси азота, аммиака,которые представляют интерес в задачах детектирования опасных веществ ватмосфере.
Учитывая сечения спонтанного комбинационного рассеяния данныхвеществ [262], получим факторы улучшения эффективности для перспективнойсистемы над реализованной схемой: ηN2 = 370, ηCO =210, ηSO2 = 830, η NO2 = 90, ηNH3 =1300, что показывает принципиальное возможное увеличение чувствительностиметодики в среднем на два порядка.(а)(б)Рис.4.2.8. (а) Зависимость сигнала ВКР-усиления в метане от давления; точкисоответствуют эксперименту, прямая – расчет.
(б) Зависимость сигнала ВКРусиления в метане от задержки между импульсами для различных давлений газа вкювете. Эксперименты проведены в геометрии встречных пучков.Такимобразом,внашейработепредставленодетальноеисследованиеперспективной схемы дистанционного детектирования веществ в атмосфере на базекомбинирования методики ВКР-усиления во встречных пучках и методикиудаленного формирования источника когерентного излучения в атмосферномвоздухе.Полученныевлабораторныхусловияхрезультатыпозволяютэкстраполировать их для оценки параметров лазерной системы, необходимых дляработы в реальных условиях.- 151 §4.3 Измерение огибающей интенсивности и спектральной фазы импульсовсреднегоинфракрасногооптическогодиапазонастробированиясчастотразрешениемметодомпоширокополосногочастотевпроцессечетырехволнового взаимодействия в газеДетектирование колебательных и вращательных движений молекул являетсяодной из важнейших задач оптической спектроскопии [99,196,253].
Однако, частотымод внутримолекулярных движений лежат в спектральной области, измерения вкоторойобычносвязаныстехническимитрудностямииз-заотсутствиявысокоэффективных детекторов и спектрометров. В нашей работе мы показываем,что благодаря объединению техники формирования сверхкоротких импульсовсреднего инфракрасного диапазона и метода восстановления временного профиляизлучения, методики импульсной (время-разрешенной) спектроскопии могут бытьрасширены на средний инфракрасный диапазон частот для проведения метрологиифундаментальных движений молекул. Модуляция спектра сверхкоротких импульсовв этом диапазоне частот, обусловленная резонансными колебательно-вращательнымимодами молекул, приводит к интерференции «темных» волн во временномпредставлении. Проанализировать эти интерференционные структуры можно припомощи методики широкополосного оптического стробирования излучения сразрешением по частоте на основе четырехволнового взаимодействия с импульсомнакачки в газовой среде, которая была описана в предыдущем параграфе.В данном параграфе показано, что четырехволновое взаимодействие (ЧВВ) вслабодисперсионной газовой среде позволяет реализовать удобную нелинейнооптическую методику, позволяющую характеризовать широкополосные импульсыдлительностью несколько периодов поля в среднем ИК диапазоне.
Методикаоптического стробирования импульсов с разрешением по частоте на базе ЧВВпроцесса недавно была продемонстрирована для характеризации сформированного вдвуцветномфиламентеимпульсадлительностьюоколоодногопериодаэлектромагнитного поля на длине волны 3.4 мкм [175]. В наших экспериментах мырасширили эту технику на весь диапазон среднего ИК излучения, осуществивхарактеризацию сверхкоротких импульсов в диапазоне 3-11 мкм, полученных в- 152 процессе генерации разностной частоты в нелинейном кристалле от сигнальной ихолостой волн, сформированных в оптическом параметрическом усилителе.Имеющиесянасегодняшнийденьтехнологиигенерациисверхкороткихимпульсов покрывают полностью средней ИК диапазон и позволяют формироватьимпульсы длительностью несколько периодов оптического поля [202,263].
В связи сэтим,стоитважнаязадачаразвитияметодоваккуратнойхарактеризациисверхкоротких лазерных импульсов в широком диапазоне частот, покрывающего всюсреднюю ИК область спектра. Важно уметь получать информацию не только о формеогибающей интенсивности импульса, но и о его временной (спектральной) фазе. Дляэтой цели можно использовать методику оптического стробирования импульсов сразрешением по частоте (FROG) на основе генерации суммарной частоты внелинейном кристалле [263]. Данная техника базируется на использованииспециальных нелинейно-оптических кристаллов, которые должны удовлетворятьрядусерьезныхтребований,вчастности,обладатьвысокойквадратичнойнелинейностью, низкими потерями и широким частотным синхронизмом дляпроцесса удвоения частоты в средней ИК области спектра. Для анализа излучения вдиапазоне длин волн 2-7 мкм обычно используется кристалл тиогаллата серебра(AgGaS2, AGS), а для области 7-15 мкм кристалл селенид галлия (GaSe).
Более того,стараясь характеризовать импульсы в низкочастотном диапазоне 7-15 мкм, длиныволн второй оптической гармоники также оказываются в среднем ИК диапазоне, чтосильно затрудняет детектирование слабых нелинейно-оптических сигналов [202].Экспериментальная техника генерации сверхкоротких импульсов среднего ИКдиапазона подробно описана в параграфе 2.4 и включает два последовательных этапапонижения частоты излучения (рис.4.3.1.a). Центральная длина волны генерируемогоизлучения на частоте ωd может варьироваться от 2.7 мкм до 11 мкм при поворотекристалла AGS (рис.4.3.1.б, в), в котором происходит процесс генерации разностнойчастоты.
Ограничение перестройки по частоте связано с сильным поглощением вкристалле в области длин волн больших 11 мкм. Излучение среднего ИК диапазонаспектрально выделялось при помощи интерференционного фильтра низких частот,пропускающий излучение с длиной волны больше 2.5 мкм.- 153 Для характеризации излучения среднего ИК диапазона, восстановления еговременной и спектральной фазы, генерируемые в кристалле AGS импульсысмешивались с импульсами длительностью 45 фс на длине волны 810 нм ватмосферном воздухе.
В этом случае в воздухе, как в любой среде обладающейкубической нелинейностью, происходит генерация излучения на новых частотах впроцессах четрехволнового взаимодействия: ωFWM = 2ωp ± ωd, где знаки плюс и минуссоответствуют генерации суммарной и разностной частоты в процессах ЧВВ ωSF FWM= 2ωp + ωd и ωDF FWM = 2ωp – ωd, соответственно. Протяженность интервала длин волн|| (2c)–12||, соответствующая определенному фиксированному частотномудиапазону || сильно (квадратично) зависит от центральной длины волны излучения.Процесс повышения частоты среднего ИК излучения (up-конверсия) в ходечетырехволнового взаимодействия в газе в видимую область спектра позволяетотобразить спектр всего среднего ИК диапазона 3-15 мкм в спектральном окнешириной всего несколько десятков нанометров в видимом диапазоне, в которомдоступны дешевые и эффективные приемники излучения. Действительно, возьмемграничные длины волн перестройки нашей системы d1 = 3 мкм и d2 = 15 мкм, тогдаЧВВ процесс ωFWM = 2ωp – ωd с использованием импульсов накачки на 810 нмтранслирует спектр ИК излучения из области [d1, d2] в область [FWM1, видимом диапазоне частот с шириной окна всего ΔFWM=FWM1 - FWM2]FWM2=52внм.Использование up-конверсии излучения позволяет характеризовать сверхкороткиеимпульсы, перестраиваемые по частоте в диапазоне двух октав в средней ИК областиспектра, проводя трансляцию излучения в достаточно узкое спектральное окно ввидимом диапазоне частот.
Эта особенность методики положительно выделяет ее присравнении с техникой характеризации импульсов при удвоении частоты в кристаллах,когда спектр анализируемого импульса отображается на частотный интервал в двараза шире первоначального 2.Интенсивность (отн. ед.)- 154 -1,0(д)0,80,60,40,20,0-1500150Время (фс)Рис.4.3.1.
(а) Схема экспериментальной установки: Ti:S, генератор лазерныхимпульсов на кристалле Ti:Sapphire; MPA, многопроходный усилитель; OPA,оптический параметрический усилитель; AGS, кристалл AgGaS2; SP, сапфироваяпластинка; BBO, кристалл BBO, BBC, совместитель пучков из фторида бария(BaF2); BL, BaF2 линза; L, линза из оптического стекла BK7; SPF, фильтр высокихчастот;(б) Энергетическая диаграмма перестройки ИК излучения. Центральнаядлина волны импульсов среднего ИК диапазона показана на верхней шкале абсцисс, нанижней приведены длин волн соответствующей сигнальной волны ОПУ.(в) СпектрыИК излучения (г) Спектрохронограмма XFROG на базе ЧВВ в воздухе, записанная дляимпульса на 5.1 мкм с накачкой на p = 810 нм. На панели представленывосстановленные по спектрограмме XFROG огибающая интенсивности импульса ивременная фаза (вверху), спектр и спектральная фаза (справа).
(д) Кросскорреляционная функция импульса на 5.1 мкм длительностью около четырехпериодов поля (77 фс). (е) Спектрограммы XFROG на базе нелинейных процессовсуммирования и вычитания частот в воздухе, записанные при длительностиимпульсе накачки на длине волны 808 нм 45 фс. Пунктирной горизонтальной прямойотмечена длина волны 404 нм.- 155 Важноотметить,слабодисперсионнойчтометодикагазовойсреде,основаннаяXFROG,обеспечиваетнаотсутствиеЧВВввременногорастягивания импульсов в процессе их взаимодействия и анализ широкополосногоизлучения в отличие от стандартной техники XFROG, в которой обычноиспользуются квадратичные нелинейно-оптические процессы в кристаллах [181].Слабая дисперсия газов также помогает поддерживать сверхширокую частотнуюобластьфазовогосогласованияЧВВпроцессов,позволяяанализироватьсверхкороткие импульсы в невероятно широком спектральном диапазоне (рис.4.3.2).Длина взаимодействия в наших экспериментах соответствовала перетяжке излученияна 800 нм около 0.3 см, что намного меньше когерентной длины процесса в воздухе 35 см в диапазоне 3-11 мкм.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
