Диссертация (1335833), страница 8
Текст из файла (страница 8)
Зеленым показана зависимость, построенная по эмпирическим тензорным коэффициентам, приведенным в статье [61]. Синими точками показана экспериментальная зависимость,полученная в ходе выполнения диссертационной работы.приближении, напротив, лежит за пределами угла, ограниченного векторами и 2 .Кроме того, фаза , оптимальная для генерации за счет фототока свободных электронов(выражения (1.18), (1.20)) и нелинейной поляризации связанных электронов в нейтралахразличается на /2.Поскольку поляризация ТГц излучения для моделей четырехволнового выпрямленияи фототока в туннельном и многофотонном приближении различна, появляется необходимость экспериментального исследования поляризации и проверки, какая из этих моделейнаиболее хорошо описывает наблюдаемые параметры ТГц излучения.Далее рассмотрим случай взаимодействия циркулярно поляризованного излученияпервой гармоники и линейно поляризованного излучения второй гармоники (1 = /2и = /4 в выражении (1.27)).
Поляризация на терагерцовой частоте будет записанаследующим образом:0 () = −0 () =0 2 ()2 () sin 22 0 2 ()2 () cos 22 (1.29)38Как и в случае двух линейных поляризаций, излучение в дальней зоне пропорицонально второй производной поляризации по времени. Кроме того, нужно обратить вниманиена то, что поляризация ТГц излучения в данной конфигурации полей также линейна, а еёнаправление зависит от разности фаз 2 между полями первой и второй гармоники. Такойрезультат возможен только для вырожденного смешения частот, поскольку в ином случаепоследние сомножители в обоих выражениях (1.29) содержали бы в аргументе синуса икосинуса еще и неунлевую комбинационную несущую частоту, и поляризация излучениябыла бы циркулярной.Помимо рассмотренной в данной главе нелинейности третьего порядка, обусловленной откликом безынерционной керровской нелинейностью связанных электронов, не исключается возможность существования резонансного вклада в тензор нелинейной восприимчивости третьего порядка.
Это связано, в частности, с вращением молекул под действием оптического поля. Эта компонента рамановского отклика среды, будучи запаздывающей, тем не менее влияет на свойства распространяющегося в ней фемтосекундноголазерного импульса.
В частности, в работе [92] приведен расчет влияния вращательнойнелинейности на спектр распространяющегося лазерного импульса, в ряде работ (например, [92, 93]) исследуется двулучепреломление газа, вызванное возбуждением вращательных уровней фемтосекундным импульсом накачки, а в [94] рассматривается влияние иколебательных, и вращательных переходов на генерацию суперконтинума для ультракоротких импульсов. Временные зависимости вкладов безынерционной нелинейности связанных электронов и запаздывающего отклика вращательных уровней наглядно показаны награфике, приведенном в работе [93] (см.
рис. 1.6).Из графика видно, что временной масштаб, на котором проявляется вклад вращательной составляющей нелинейности, составляет порядка 100-150 фс, а по амплитуде ондаже превышает безынерционную нелинейность для процесса наведенного двулучепреломления. Это означает, что данный вклад в нелинейную поляризацию также может бытьважным при генерации ТГц излучения с использованием оптических импульсамов длительностью порядка 100 фс.1.6. Выводы по главе 1В данной (частично обзорной) главе на основании анализа теоретических зависимостей было показано, что ориентация эллипса поляризации терагерцового излучения, воз39Рис. 1.6. Временная динамика наведенного двулучепреломления, обусловленного безынерционным Керровским откликом связанных электронов (синяя кривая), запаздывающим откликомвращательных переходов (красная кривая) и их суммы (черная кривая).никающего при взаимодействии фемтосекундных импульсов первой и второй гармониктитан-сапфирового лазера с газово-плазменной средой, определяется взаимным соотношением её проводимости и нелинейной поляризации.40Глава 2Терагерцовый спектрометр-поляриметр с независимымуправлением пучками первой и второй гармоникилазерного излучения2.1.
ВведениеДанная глава посвящена созданию терагерцового спектрометра-поляриметра, позволяющего проводить измерения поляризационных и пространственных характеристик терагерцового излучения, его спектра, а также поляризации второй и третьей гармониклазерного излучения, возникающих в плазме оптического пробоя.Как было показано в предыдущей главе, поляризация ТГц излучения зависит от соотношений между поляризациями, фазами и амплитудами полей на частоте первой и второйгармоники лазера. Более того, вклады связанных и свободных электронов можно разделить, анализируя поляризацию ТГц излучения для различных углов между линейнымиполяризациями первой и второй гармоники. Чтобы осуществить это экспериментально,необходимо создать спектрометр-поляриметр, в котором было бы реализовано независимое управление поляризациями, энергиями и временными задержками импульсов первойи второй гармоники, и была бы возможность анализа поляризации, спектра и пространственных характеристик терагерцового излучения из плазмы оптического пробоя.Особенность постановки эксперимента заключается в том, что параметры оптического поля могут существенно изменяться при распространении сквозь протяженную (порядка 1 см) область взаимодействия вследствие различных нелинейно-оптических процессов.Поэтому важно понимать, что условия, в которых возникает терагерцовое излучение, изменяются по мере распространения в плазме, и соответствуют исходным лишь на ограниченных расстояниях.Наиболее распространенная экспериментальная схема генерации ТГц излучения вплазме оптического пробоя предполагает помещение тонкого кристалла ВВО I типа синхронизма между фокусирующей линзой, создающей плазму, и её фокусом [45, 95–97].Эта схема наиболее проста и удобна для практических применений, но не подходит дляполяризационных исследований.
Все параметры излучения второй гармоники (поляриза41ция, интенсивность, фазовый сдвиг относительно излучения первой гармоники) начинаютизменяться одновременно при любых перемещениях кристалла. Это затрудняет анализпроцесса генерации ТГц излучения, так как не удается изменять только один параметр(например, поляризацию второй гармоники) при сохранении всех остальных параметровнеизменными. Поляризационные измерения в такой схеме проводились, в частности, группой Роскоса [62]. Они заключались в измерении величины проекции ТГц поля на взаимноперпендикулярные оси при изменении ориентации кристалла BBO.В другом варианте схемы эксперимента кристалл ВВО помещается до фокусирующейлинзы, при этом после кристалла второй гармоники может быть установлена фазовая пластинка, поворачивающая поляризацию второй гармоники на 90 градусов, чтобы сделать еёколлинеарной с поляризацией первой гармоники [98].
В данном случае возрастают требования к фокусирующей линзе: она должна быть ахроматической для того, чтобы положенияеё фокуса для излучения первой и второй гармоники совпадали. Данная экспериментальная схема, также как и предыдущая, практически не даёт возможности независимогоуправления поляризациями излучения первой и второй гармоники.Для проведения контролируемых поляризационных экспериментов необходимо создать схему, позволяющую независимое управление интенсивностями и поляризациямиизлучения каждой из оптических гармоник.
Для этого в работе Кси [60] было предложеноразделить плечо генерации на два пучка и использовать один из пучков для генерации второй гармоники. Фазовые пластинки, помещенные в каждое из плеч, использовались длянезависимого управления поляризациями пучков. Аналогичная схема была использованатакже группой Мисировича [61].Поскольку величина генерируемого ТГц поля пропорциональна косинусу либо синусуразности фаз между полями первой и второй гармоники [46, 48], постоянство разницы фаз и возможность её изменять контролируемым образом являются важнейшими требованиями к экспериментальным схемам с разделенными пучками первой и второй гармоники.В наиболее простом варианте такой схемы [60] , одна из гармоник проходит механическую линию задержки для выравнивания оптических длин двух плеч.
Другой способ пустить разделенные пучки по двум “сторонам параллелограмма”, а задержкой междуплечами управлять при помощи пары клиньев из кварца, вдвигаемых в один из пучков[60, 99]. В работах [47, 100] для наибольшей механической стабильности пучки первой ивторой гармоники вообще не разделялись пространственно: после генерации второй гар42моники в геометрии оптимального ГВГ излучение проходило через кристалл - BBOи пару клиньев из кварца. Дисперсии этих материалов имеют противоположные знаки,что позволяет изменять задержку между излучениями и 2 произвольным образом (тоесть, первая гармоника может приходить как раньше, так и позже второй гармоники),но в сравнительно небольших пределах.
Управление поляризациями пучков в этой схемеосуществлялось при помощи фазовой пластинки, работающей одновременно для первой ивторой гармоники.Помимо разнообразия геометрических схем экспериментальных установок, применяемых для генерации ТГц излучения, существует множество вариантов выбора частотногосостава оптического поля. Например, в работе [101] использовалась накачка одновременно первой, второй и третьей гармониками лазерного импульса и заявлялось увеличениеинтенсивности ТГц излучения на один порядок при его линейной поляризации. Группаисследователей из Пекинского университета [102] использовала чирпированные лазерныеимпульсы первой гармоники для повышения эффективности генерации при больших используемых интенсивностях фундаментального излучения. В работе [103] было предложено использовать для генерации оптические импульсы из двух некратных частот: авторыприменяли импульсы с центральными длинами волн 785 нм и 407 нм.
Иной подход использовала в своём эксперименте группа из Нижнего Новгорода [104], применив для генерацииинтенсивное излучение первой гармоники и более слабое излучение на частоте, равнойполовине фундаментальной частоты лазера. Для этого авторы использовали параметрический усилитель, генерирующий излучение с центральной длиной волны 1600нм.
Другаяэкспериментальная конфигурация, ставшая популярной в последние годы, использует ультракороткие лазерные импульсы, состоящие из нескольких колебаний электромагнитногополя, и имеющие высокую интенсивность [105–108]. Поскольку максимальные величиныэлектрического поля на различных периодах ультракороткого лазерного импульса отличаются довольно сильно, генерируемый таким импульсом фототок отличен от нуля дажев отсутствие второй гармоники.Из всего многообразия экспериментальных схем для исследования поляризации ТГцизлучения при различных состояниях поляризации возбуждающего излучения наиболеегибкой и универсальной является схема с пространственным разделением пучков первой ивторой гармоники и последующим их совмещением. Интенсивность и поляризация излучения каждой гармоники в такой схеме может изменяться независимо, а временная задержка43между импульсами может изменяться в широких пределах.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
