Фазовые и поляризационные эффекты в процессах когерентного четырехволнового смешения в задачах спектрохронографии газовых сред и оптического хранения информации тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

Ц ~ +1 ! ¿7

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В.ЛОМОНОСОВА

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи УДК 621.373:535

НАУМОВ АЛЕКСАНДР НИКОЛАЕВИЧ

ФАЗОВЫЕ И ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЕ ЭФФЕКТЫ В ПРОЦЕССАХ КОГЕРЕНТНОГО ЧЕТЫРЕХВОЛНОВОГО СМЕШЕНИЯ В ЗАДАЧАХ СПЕКТРОХРОНОГРАФИИ ГАЗОВЫХ СРЕД И ОПТИЧЕСКОГО ХРАНЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ

(Специальность 01.04.21 - лазерная физика)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научные руководители: доктор физико-математических наук профессор Н. И. Коротеев

кандидат физико-математических наук доцент А. М. Желтиков

Москва - 1999 г.

содержание___2

ВВЕДЕНИЕ__5

ГЛАВА I. Когерентное четырехволновое смешение: спектроскопический и информационный аспекты_13

§1.1. Когерентная четырехфотонная спектроскопия плазмы: современные методы и экспериментальная техника_14

1.1.1. Вырожденное четырехволновое смешение_14

1.1.2. ЧВС с комбинационным резонансом_17

1.1.3. ЧВС с гиперкомбинационным резонансом_20

1.1.4. Генерация третьей гармоники_22

§1.2. Применение принципов нелинейной оптики в устройствах амплитудной трехмерной оптической памяти_24

Выводы к главе I_29

ГЛАВА II. Теория когерентного четырехволнового смешения в

изотропных средах_30

§2.1. Четырехфотонные процессы с резонансами

гиперкомбинационного типа_30

2.1.1. Влияние фазового рассогласования и поглощения на форму спектра когерентного гиперкомбинационного рассеяния света 31

2.1.2. Режимы жесткой фокусировки и сильного поглощения 32

2.1.3. Результаты расчетов и обсуждение_37

2.1 А Зависимость сигнала ЧВС от концентрации резонансных

частиц и длины взаимодействия_47

2.1.Однофотонное насыщение при четырехволновом смешении 52

§2.2. Эффекты фазовой само- и кросс-модуляции при генерации третьей гармоники в полом волноводе_56

2.2.1. Основные соотношения для ГТГ в полом волноводе с учетом эффектов фазовой само- и кросс-модуляции_57

2.2.2. Оценка характерных пространственных масштабов и приближение совместного распространения импульсов накачки и третьей гармоники_61

2.2.3. Численное моделирование_65

2.2.4. Результаты расчетов и обсуждение_66

§2.3. Когерентное четырехволновое смешение как метод чтения

информации в системах трехмерной оптической памяти_81

2.3.1. Светоиндуцированные переходы в фотохромных молекулах_81

2.3.2. Возможности применения когерентного четырехволнового смешения для считывания информации_ 89

2.3.3. Чтение информации в устройствах трехмерной оптической памяти с помощью оптического эффекта Керра_92

Выводы к главе II______98

ГЛАВА III. Экспериментальная техника и методика измерений 99 §3.1. Наносекундный лазерный комплекс для когерентной ЧВС спектроскопии лазерной плазмы_99

3.1.1. Зондирующий лазерный комплекс_101

3.1.2. Коллинеарная и некомпланарная схемы зондирования

и техника поляризационных измерений_105

3.1.3. Система регистрации и обработки данных_107

3.1.4. Система приготовления и управления параметрами лазерной плазмы_109

§3.2. Пикосекундный лазерный комплекс для нелинейной

спектроскопии фотохромных сред_113

3.2.1. Зондирующая пикосекундная лазерная система_113

3.2Д. Схемы нелинейного взаимодействия и регистрация сигнала! 18

Выводы к главе III_119

ГЛАВА IV. Исследование лазерной плазмы методами поляризационной спектроскопии четырехволнового смешения с

резонансами гиперкомбинационного типа_120

§4.1. Физические принципы техники визуализации_120

§4.2. Экспериментальная техника_123

§4.3. Пространственное разрешение метода_127

§4.4. Исследование временных зависимостей поглощения и

ЧВС сигнала___128

§4.5. Статистический анализ экспериментальных результатов_131

§4.6. Когерентное ЧВС в широких пучках: получение информации о пространственных распределениях параметров плазмы за один импульс_ _133

Выводы к главе IV_136

ГЛАВА V. Использование принципов поляризационного ЧВС для оптимизации систем трехмерной оптической памяти_137

§5.1. Оптимизация двухчастотной записи информации поляризационными нелинейно-оптическими методами_138

5.1.1. Экспериментальная установка и методика измерений 138

5.1.2. Результаты измерений и обсуждение_143

5.1.3. Оптимизация устройства оптической записи информации 145 §5.2. Считывание информации в устройствах трехмерной оптической памяти люминесцентными методами_145

5.2.1 Экспериментальная техника_146

5.2.2. Характерные времена стирания информации_149

5.2.3. Сечение обратной фотореакции_154

5.2.4. Сечение двухфотонного поглощения_156

5.2.5. Сравнение двухфотонного и однофотонного считывания 157 §5.3 Чтение информации в устройствах трехмерной оптической памяти с помощью оптического эффекта Керра_159

5.3.1. Экспериментальная методика._159

5.3.2. Исследование оптического эффекта Керра

в фотохромной среде_;_161

5.3.3. Сравнение считывания методом оптического эффекта Керра

с флуоресцентными методиками_165

Выводы к главе V_168

ЗАКЛЮЧЕНИЕ_169

ЛИТЕРАТУРА

171

введение_5

ВВЕДЕНИЕ

Нелинейная спектроскопия, в том числе схемы когерентного четырехволнового смешения (ЧВС) [1 - 4], давно и широко используется для диагностики молекулярных и атомарных газов и жидкостей. Однако, появление новых объектов и задач нелинейно-оптических исследований требует развития новых и совершенствования известных методик в данной области современных физических исследований. Так растущий интерес к изучению нелинейно-оптических взаимодействий в газах связан как с необходимостью развития локальных невозмущающих методов диагностики быстропротекающих процессов [5 - 7], так и с возможностью использовать нелинейности подобных сред для генерации когерентного коротковолнового излучения методом оптического преобразования частоты [8 - 14]. С другой стороны, богатый арсенал поляризационных нелинейно-оптических методов, разработанный для диагностики газов и жидкостей, находит плодотворное применение для исследование нелинейно-оптических свойств фотохромных веществ, что вызвано развитием информационных технологий и является одной из наиболее актуальных научных задач современности [15 - 18].

Хотя когерентное четырехволновое смешение довольно давно и успешно применяется для исследования молекулярных и конденсированных сред [19, 20], проведенные в последнее время эксперименты показали, что использование этой техники для диагностики плазмы и возбужденных газовых сред [21 - 25] требует определенных изменений в методике экспериментов и специальных исследований в теории когерентного ЧВС. Использование хорошо разработанных методов четырехфотонной спектроскопии молекул в таких средах часто оказывается затруднительным вследствие высоких температур газа, при которых вещество в основном находится в атомарном либо ионизованном состоянии. В связи с этим возникает необходимость развития методов диагностики атомарной и ионной компонент возбужденных газов. В работах [22, 24], в

введение _6

частности, было показано, что эффективным методом исследования атомарной и ионной компонент газоразрядной и лазерной плазмы является спектроскопия ЧВС с резонансами гиперкомбинационного типа. Однако, существенной особенностью данного процесса является наличие однофотонного поглощения, которое, наряду с резонансной дисперсией среды, может оказывать заметное влияние на форму спектра на выходе из исследуемой среды и затрудняет анализ экспериментальных данных. В связи с этим обстоятельством, для получения информации о параметрах системы из экспериментальных спектров ЧВС с резонансами гиперкомбинационного типа необходим учет влияния поглощения и условий фазового согласования на форму спектра сигнала [26, 27].

Возбужденные состояния атомов и ионов играют существенную роль при резонансном и квазирезонансном взаимодействии лазерного излучения с газом и плазмой. В связи с этим исключительно важной представляется задача экспериментального исследования временной динамики и пространственного распределения возбужденных атомарной и ионной компонент газовых и плазменных сред с высоким пространственным и временным разрешением и позволяющих получать данные об основных параметрах среды с минимальным временем усреднения.

В расширяющейся лазерной плазме населенности резонансных уровней и их разность являются функциями времени. Вследствие этого нелинейно-оптическая восприимчивость также является функцией времени. Строго говоря, зависящие от времени нелинейно-оптические восприимчивости в спектральном представлении (определяемые как Фурье образы нелинейно-оптических восприимчивостей во временном представлении) могут быть последовательным образом введены только в том случае, когда временной масштаб изменения резонансной г(3) и нерезонансной г(3)

1 I Л/ г 1 А* пг

нелинейно-оптических восприимчивостей существенно превышает длительность периода световых полей, участвующих в рассматриваемом процессе. При такой иерархии временных масштабов мы имеем дело с проблемой нелинейной

введение___7

спектрохронографии [28], когда требуется определить свойства нелинейно-оптических восприимчивостей не только в спектральном, но и во временном представлении.

Явление когерентной генерации оптических гармоник в поле коротких мощных лазерных импульсов активно исследуется уже в течение достаточно длительного времени (например, [10, 29 - 44]). Несмотря на впечатляющие результаты, достигнутые в области генерации гармоник высокого порядка и получения когерентного коротковолнового излучения (с длиной волны менее 2.4 нм [12]) в струе инертного газа, данный экспериментальный подход, основанный на использовании сфокусированных лазерных пучков, не позволяет достичь высоких эффективностей преобразования частоты даже для гармоник низкого порядка (в отличие от генерации гармоник низкого порядка в лазерной плазме [9 - 11, 45 - 49]). Как было показано Р. Майлсом с сотрудниками [50], одним из путей решения проблемы увеличения длины нелинейно-оптического взаимодействия в газовой среде является использование взаимодействия в полом диэлектрическом волноводе для четырехфотонного процесса типа КАРС. Было также показано, что использование полого оптического волновода позволяет достичь эффективного уширения спектра сверхкороткого лазерного импульса за счет явления фазовой самомодуляции (ФСМ) и последующего сжатия чирпированного импульса до ультракоротких длительностей [51, 52]. Ввиду того, что порог оптического пробоя для газа, заполняющего волновод, существенно превышает характерные величины порога пробоя для обычных оптических волокон, использование полых волноводов представляется особенно перспективным для генерации мощных сверхкоротких лазерных импульсов, содержащих несколько периодов светового поля [50 - 52]. Кроме того, как показано в [53] порог самофокусировки в полом волноводе выше чем в газе. С учетом того обстоятельства, что техника полых волноводов позволяет использовать мощные лазерные импульсы, данный подход представляется также весьма перспективным для оптического преобразования частоты методами

введение_8

параметрического взаимодействия световых волн и генерации гармоник [12].

Применение поляризационных схем ЧВС, разработанных для диагностики газов и жидкостей, оказывается плодотворным для решения актуальных проблем эффективной локальной записи и недеструктивного локального считывания информации, записанной в объеме образца, при разработке устройств трехмерной оптической памяти на основе фотохромных материалов [15 - 18, 54 - 64], способных хранить большие массивы данных.

Возможность объемной оптической записи информации с использованием двухфотонных переходов в фотохромных материалах обсуждалась и экспериментально исследовалась в работах [15-18, 55 - 64]. Использование двухфотонной записи позволяет реализовать устройства трехмерной оптической памяти с высокой плотностью хранения и возможностью локального стирания информации (см. [15]).

В настоящее время активно исследуется возможность использования для считывания информации в устройствах трехмерной оптической памяти техники, основанной на фотолюминесценции фотохромных молекул (см., например, [15, 63]), которая обеспечивает достаточно высокий уровень полезного сигнала, позволяющий построение люминесцентного изображения области, в которой произошло фотоокрашивание. Однако, данная техника считывания имеет серьезные недостатки, связанные с необходимостью создания специальной системы построения изображения и достаточно высоким уровнем паразитного сигнала за счет люминесценции примесей. Принципиальным недостатком люминесцентного метода считывания следует считать то обстоятельство, что излучение, возбуждающее люминесценцию неизбежно стирает информацию, записанную в данной точке среды. В связи с этим актуальной является проблема поиска новых методов считывания информации. Как показано в работах [16], перспективной в этом отношении представляется техника четырехфотонного рассеяния типа когерентного антистоксова рассеяния света (КАРС),

введение_9

так как при использовании данного подхода нет необходимости настраивать мощное излучение накачки в резонанс с переходами молекул в окрашенной форме. Тем самым, появляется возможность избежать стирания записанной информации в процессе считывания.

С учетом вышеизложенного представляется актуальным исследовать возможности нелинейно-оптических процессов для записи и считывания информации в устройствах трехмерной оптической памяти.

Целью настоящей диссертационной работы является исследование нелинейно-оптических процессов в изотропных средах: в низкотемпературной плазме оптического пробоя у поверхности металлических мишеней, в фотохромных материалах и в полых волноводах заполненных газами.

Основные задачи диссертации заключаются в следующем:

1. Исследование влияния условий фазового согласования и поглощения на форму спектров ЧВС в низкотемпературной плазме оптического пробоя. Разработка корректных процедур получения информации о параметрах возбужденных и ионизованных газовых сред на основе анализа данных когерентной спектрохронографии и изображений атомарных и ионных компонент возбужденных газовых сред, построенных методами когерентного ЧВС.

2. Разработка экспериментальной методики, основанной на использовании поляризационной спектроскопии четырехволнового смешения, для исследования пространственного распределения концентрации возбужденных состояний атомов и ионов в плазменных средах за один выстрел.

3. Анализ возможностей управления фазовыми соотношениями (фазовым согласованием и фазовой кроссмодуляцией) при генерации коротких импульсов третьей гармоники в полых волноводах, наполненных газом.

4. Исследование возможностей применения поляризационной техники для повышения эффективности нелинейно-оптических методов контроля и диагностики фотохромных сред.

5. Экспериментальное исследование характеристик оптического эффекта Керра в фотохромной среде, как перспективной техники неразрушающего считывания информации в устройствах трехмерной оптической памяти.

Таким образом, диссертация посвящена экспериментальному развитию основных принципов новых методов качественного и количественного анализа изотропных сред: возбужденных газов и плазмы, фотохромных сред; основанных на когерентной спектроскопии ЧВС с резонансами комбинационного и гиперкомбинационного типа, поляризационной спектроскопии четырехволнового смешения, а также анализу возможности эффективной генерации коротких импульсов третьей гармоники в полых волноводах, наполненных газом.

Для решения поставленных задач использовались экспериментальные установки на основе лазерных источников пикосекундных и наносекундных импульсов, позволяющие осуществить нелинейное зондирование объекта исследования, контролируемым образом возбудить плазму оптического пробоя у поверхности металлической мишени, и зарегистрировать когерентный сигнал.

Диссертация состоит из введения, обзорной главы, теоретической главы, трех экспериментальных глав и заключения.

Во введении формулируются цель и задачи исследования, рассматривается содержание диссертации по главам.

В первой главе содержится обзор теоретических и экспериментальных работ, посвященных когерентной

четырехфотонной спектроскопии изотропных сред; проводится сравнительный анализ основных схем когерентной четырехфотонной спектроскопии: вырожденного четырехволнового смешения и когерентного антистоксова рассеяния с резонансами комбинационного и гиперкомбинационного типа; обсуждаются вопросы диагностики возбужденных газов, процессов горения и плазмы; рассматривается возможность получения когерентного коротковолнового излучения в

газах; рассматриваются возможности оптических контроля и диа�