Когерентные переходные процессы типа вырожденного четырехволнового смешения с задержкой во времени в примесных кристаллах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

о» .

. РОССИЙСКИЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР .........."КУРЧАТОВСКИЙ ИНСТИТУТ" •

ИНСТИТУТ СВЕРХПРОВОДИМОСТИ И ФИЗИКИ ТВЁРДОГО ТЕЛА

11а правах рукописи

ПЕТРЕНКО ЕВГЕНИЙ АНДРЕЕВИЧ

КОГЕРЕНТНЫЕ ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ ТИПА ВЫРОЖДЕННОГО ЧЕТЫРЁХВОЛНОВОГО СМЕШЕНИЯ С ЗАДЕРЖКОЙ ВО ВРЕМЕНИ В ПРИМЕСНЫХ КРИСТАЛЛАХ

(01.04.04. - физическая электроника)

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-

математических наук

Москва — 1997

Работа выполнена в Институте сверхпроводимости физики твердого тела Pocciillcxoro научного ueirrpa "Курчатовсхий институт"

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

ведущий научный сотрудник 15.С.Лисица

кандидат фнзнко-математичсских наук, доцент С.О.Елютнн

Ведущая организация:

Институт радиотехники и электроники J'AI I

Зашита состоится "__"___199 года в __часов на зассдшиш

диссертационного совета Д 034.04.01

С диссертацией можно ознакомиться и библиотеке ИЩ "Курчатовский институт"

Автореферат разослан "_"_199 года.

Ученый секретарь диссертационного совета.

к.ф.-м. н.

Л.И.Елизаров

РОССИЙСКИЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР' "КУРЧАТОВСКИЙ ИНСТИТУТ"

ИНСТИТУТ СВЕРХПРОВОДИМОСТИ И ФИЗИКИ ТВЁРДОГО ТЕЛА

5 !а правах рукописи

ПЕТРЕНКО ЕВГЕНИЙ АНДРЕЕВИЧ

КОГЕРЕНТНЫЕ ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ ТИПА ВЫРОЖДЕННОГО ЧЕТЫРЁХВОЛНОВОГО СМЕШЕНИЯ С ЗАДЕРЖКОЙ ВО ВРЕМЕНИ В ПРИМЕСНЫХ КРИСТАЛЛАХ

(01.04.04. - физическая электроника) Автореферат

диссертации па соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Актуальность проблемы

Исследование нелинейных оптических процессов в резонансных условиях, когда частоты возбуждающего излучения близки к частотам переходов в веществе, представляет несомненный интерес в качестве предмета фундаментальных и прикладных исследований С одной стороны изучение таких процессов важно для выяснения ряда принципиальных вопросов теории взаимодействия лазерного излучения с веществом. В первую очередь это касается особенностей отклика многоуровневой системы при воздействии на неё резонансным световым полем, приводящем, например, к возбуждению сразу нескольких, конкурирующих между собой нелинейно-оптических процессов.

Среди многочисленных вариантов такого взаимодействия особое место занимает когерентный режим, характеризующийся тем, что длительность возбуж-

9

дающего импульса короче всех характерных времён релаксации среды. При этом резонансные свойства среды проявляются особенно ярко.

Когерентное резонансное взаимодействие резко выводит электронную подсистему любого вещества из состояния термодинамического равновесия. Прежде чем вернуться в равновесное состояние, вещество проходит ряд стадий, превращений или фазовых переходов. Их регистрация и исследование дают важную информацию о свойствах вещества. Ещё более богатой и разнообразной становится информация при когерешном резонансном воздействии на среду последовательностью из нескольких световых импульсов, приводящем, например, (при использовании разнесённых во времени трёх импульсов) к возникновению такого когерентного переходного процесса как вырожденное четырёхволновое смешение (ВЧВС) с задержкой во времени или стимулированного фотонного эха (СФЭ). Это явление широко используется при проведении спектроскопических исследовании высокого и сверхвысокого разрешения и позволяет измерять времена релаксации возбуждения в различных средах.

В последние годы наметилась и другая область практического приложения СФЭ: уникальные пространственно-временные свойства когерентных переходных

процессов (долговременная память, корреляция и свёртка оптических сигналов и

др.) делают возможным построение на их основе оптических запоминающих уст---------------

роист в (ОЧУ) с высокой плотностью записи и процессоров для параллельном обработки больших массивов данных с высоким быстродействием вплоть до 10" перемножении-сложении в секунду

Цель работы и постановка задачи

Целью диссертационной работы являлось экспериментальное исследование эффекта вырожденного чезыречволнового смешения с задержкой во времени (стимулированного фотонного эха), возбуждаемого в примесном кристалле ЬаГ^Рг1' излучением лазера на красителях с перестраиваемой частотой и узкой линией генерации, а также разработка на его основе физических методов работы оптических ^поминающих устройств и процессоров

Основные поставленные в работе задачи следующие.

- экспериментально изучить особенности возбуждения ВЧВС в многоуровневых системах (временные корреляции когерентных оптических сигналов, влияние конкурирующих процессов) при использовании в качестве рабочей среды примесного кристалла 1^аРд.1'г", являющегося удобной моделью многоуровневой системы из-за большого набора оптически разрешенных переходов в ионе Рг' с хорошо известными параметр;! мн.

- с использованием эффекта фотонного эха исследовать особенности дефазировки резонансных оптических переходов иона Рг1' в зависимости от группы симметрии кристаллической матрицы на примере матриц и 1.а!;< и дать оценки для констант орбахоиских процессов необратимой релаксации;

- дан. жспернмсшллмюе обоснование способам контролируемою подавления пли усиления ВЧВС с задержкой во времени и разработать на этой основе методы опе-

ратнвного стирания информации в оптических запоминающих устройствах, базирующихся на использовании эффекта стимулированного фотонного эха.

Научная новизна

1. Обнаружено новое явление - интерференция не перекрывающихся во времени световых импульсов при их вырожденном четырёхволновом смешении с задержкой во времени.

2. Впервые экспериментально установлено влияние конкурирующих нелинейных явлений (генерации вынужденного излучения) на возбуждение процесса ВЧВС. Это влияние обусловлено тем, что возбуждение ВЧВС осуществляется не в двухуровневой, а в многоуровневой системе. В частности показано, что в случае существенного превышения порога генерации вынужденного излучения имеет место полное подавление сигнала ВЧВС

3. Впервые экспериментально зарегистрирована корреляция формы третьего возбуждающего импульса и формы стимулированного фотонного эха.

4. При экспериментальном исследовании особенностей когерентного возбуждения вынужденного излучения на смежном переходе обнаружено смещение его во времени к началу импульса накачки и даже разбиение его на два импульса при возрастании интенсивности возбуждающего лазера.

5. При исследовании температурных спадов амплитуды фотонного эха в УгЗЮ^Рг'обнаружен новый неорбаховский механизм релаксации, возможно связанный с тунелированием ионов празеодима между двумя неэквивалентными положениями в кристаллической решётке.

Практическая ценность

Полученные результаты могут быть использованы для рёшения проблемы оперативного стирания информации в оптических процессорах и запоминающих устройствах на основе эффекта стимулированного эха.

Они представляю! интерес для разрешения ряда принципиальных проблем когерентною взаимодействия лазернот излучения с нелинейной резонансной средой, а также понимания природы релаксационных процессов в кристаллах с примесями редкоземельных ионов. Результаты работы позволяют, в частности, выяснить особенности возбуждения стимулированного фотонного эха в многоуровневых системах, которые как раз и характеризуют реальные физические среды.

Апробация работы

Резулыагы диссертпюнной работы докладывались на трёх международных конференциях

- Conference on Laser and Fîlectro-Optics, Washington, D С , USA, 1992

- VII Международная конференция "Оптика лазеров", С -Петербург, нюнь 1993 г.;

- XV Международная конференция по когерентной и нелинейной оптике и VIII конференция по лазерной оптике, С -Петербург, 27 июня-1июля, 1995.

Они опубликованы в восьми статьях, трудах конференции и авторском свидетельстве

Объём диссертации

Диссертация состоит из введения, четырёх глав и выводов, изложена на 96 страницах машинописного текста, содержит 38 рисунков и 3 таблицы Список цитируемой литерагуры включает 118 наименований.

Содержание работы

Во введении в обзоре современного состояния исследований когерентных переходных процессов в легированных кристаллах обосновываются актуальность темы диссертации, новизна и практическая ценность работы Главное внимание уделено процессу вырожденного че! ырехнолнового смешения с задержкой во времени в примесных кристаллах. Рассматриваются примеры существования аномально долгой эхо-памяти по Т1 в примесных кристаллах, причиной которой является многоуровневость резонансных примесей

Также обсуждается две наиболее перспективные области практического приложения эффекта задержанного во времени четырёхвопнового смешения. Во-первых, это использование уникальных пространственно-временных свойств стимулированного фотонного эха (как, например, корреляция формы третьего воз-

г

буждающего импульса и контура СФЭ) для создания алгоритмов параллельной оптической обработки больших массивов информации. Приведенные в обзоре оценки показывают реальную возможность таких приложений. Вместе с тем, крайне важным для осуществления оптического процессинга является разработка физических методов управляемого оперативного стирания информации, записанной в среде с помощью эффекта стимулированного фотонного эха, которая до настоящего времени была ещё не решена. При этом подчеркивается, что в диссертации найдены пути решения этой проблемы и предложены два метода такого оперативного стирания. Один из них базируется на использовании дополнительной пары импульсов, полученных из первых двух за счёт их временной сдвижки, а в основе второго - лежит явлебнне генерации вынужденного излучения на смежном переходе. Также отмечается, что генерация на смежном переходе представляет и отдельный интерес нелинейной динамикой своей временной формы.

Вторым важным вопросом практического приложения эффекта ВЧВС, обсуждаемого во введении, является исследование динамики резонансных оптических переходов редкоземельных ионов в кристаллических матрицах для получения

констант релаксаций, необходимых при подборе материалов для создания архивной эхо-памяти.

В заключение обзора приводится- сводная - таблица спектроскопических данных по крнааллам с примесями редкоземельных элементов пригодных для возбуждения когерентных переходов с указанием длины волны рабочего перехода, времени поперечной и продольной релаксации, величины неоднородного и однородного ушмрений, силы осциллятора

Во введении формулируется цель диссертационной работы и основные задачи исследования. Кратко излагается содержание диссертации и поясняется её структура

В первой главе дано описание экспериментальной установки, предназначенной для исследования когерентных нелинейных

Обшая схема экспериментальной установки процессов в ре-

1-латср накачки ХсС!. 2-л;пср на красителям, З-рсшстраиионная систсма.4- ЗОНЭНСНЫХ сре-отнчсские линии тдсржки. 5-гслнспый криосгат с обратом, 6-дслнгельныс дах (Рис !)

черкала; 7-фокусирующнс Источником

возбуждающего тлучеиия являегся лазер на органических красителях (ЛОК) (2) 1'ю накачка осуществлялась с помощью эксимерного ХеС1 лазера (I), генерирующего на длине волны Х-308нм. с энергией до 100 мДж и длительностью импульса 10нс Одно из зеркал реюнатора ЛОК было заменено дифракционной решеткой, что позволяло осуществлять плавную перестройку частоты его генера-

цни Для сужения линии генерации внутрь резонатора помещался наклонный эталон Фабри-Перо с базой 100 мкм. Варьирование в небольших пределах угла поворота эталонов вблизи максимума его пропускания позволяло производить подстройку длины волны генерации ЛОК с точностью 0,01 А.

Основные параметры генерации лазера на красителях были следующие:

Рабочий диапазон перестройки частоты генерации 12500н-22500 см"';

Точность настройки частоты генерации 0,04 см'1;

Ширина линии генерации 0,04 см'1;

Максимальная энергия в импульсе 15 мДж;

Длительность импульса 10нс; Поляризационные характеристики лазерного

излучения линейно поляризовано в горизонтальной плоскости

Контроль за энергией генерации ЛОК осуществлялся с помощью калиброванного фотодиода, калибровка длины волны генерации проводилась с использованием оптогальванического эффекта в неоне.

С помощью системы делительных зеркал (6) и оптичбеских линий задержек (4) можно было формировать до пяти разнесённых во времени идентичных световых импульсов, временной интервал между коюрымн мог варьироваться от 5 до 500 не Эти импульсы фокусировались в рабочую среду длиннофокусными линзами (7), уменьшавшими диаметр светового пучка до 100 мкм

В качестве рабочей среды был выбран примесный кристалл ЬаРу.Ргкоторый помешался в гелиевый крностат (5) и охлаждался до температуры 4,5К. Низкие температуры позволяют существенно увеличить время необратимой поперечной релаксации рабочего перехода 'Н^о'Ро. иона Рг'' и тем самым обеспечить режим когерентного взаимодействия лазерного излучения с резонансной средой.

Система регистрации (3) обеспечивала временное разрешение до 0,5нс и предназначалась для исследования временных характеристик ВЧВС. Его пространственные характеристики регистрировались непосредственно на фотоплёнку или телевизионную приставку, сопряжённую с компьютером. Для

анализа спектра излучения, возбуждаемого в кристалле, ' использовался многоканальный анализатор.

В первой главе обсуждается возможное применение перспективных скоростных фоюприемникои на основе лавинных фотодиодов (ЛФД) для работы в составе эхо-процессора, когда условие малости площади импульсов-кодов предъяв-ляег высокие требования на чувствительность регистрирующей системы. Приведенные здесь расчёты показывают реальную возможность применения ЛФД для решстрации С'Ф'), возникающего в кристалле LaF.».Pf" при перемножении бинарных кодовых посылок.

Исследование процессов типа фотонного эха в примесных кристаллах требует охлаждения образцов до очень низких температур, предотвращающих релаксацию фазы когерентного ансамбля резонансных центров. Времена релаксации должны превосходить длительность возбуждающих импульсов и временные задержки между ними. В экспериментальной установке для регулирования и автоматической стабилизации температуры образцов в диапазоне от 4,2 до .100К с относительной погрешностью поддержания температуры 0,1% используется крностатная терморегулируемая система

В заключение главы отмечается, что созданная экспериментальная установка может быть использована не только для изучения когерентного взаимодействия лазерного излучения с веществом, но и для проведения спектрос-коиичесих исследований

Вторая глава посвящена изложению результатов экспериментального исследования особенностей возбуждения НЧВС с задержкой во времени в многоуровневых системах на примере перехода 'Ндо'Р« иона Рг1', легированного в матрицу Lai-"».

В качестве нешчнпка возбуждающего излучения использовался лазер на органических красителях, частота которою мт перестраивалась в окрестности перехода 'II,<>'!>„ нона I'i ' С помощью системы деятельных зеркал и линии задержки формировались три импульса возбуждающего излучения, разнесённые во времени

друг относительно друга на величину (45±2) не и (165±2) не. Интенсивность их всех была одинакова и могла достигать на входе в кристалл значений 1| * 100+200 МВт/см2. Для выполнения условий пространственного синхронизма второй и третий импульсы направлялись навстречу друг другу В »том случае сигнал ВЧВС распространялся в направлении, противоположном направлению распространения первою импульса В отличие от ранее выполненных экспериментов были одновременно зарегистрированы сигналы стимулированного фотонного эха и когерентною излучения на смежном переходе 'Рн-'Нл Исследование основных характеристик последнего показало, что его длительность составляла 2-3 не, а порог возбуждения / "7"' = 18МВт/см"2.

При /, » //"/"' когерентное излучение развивалось на переднем фронте возбуждающего импульса, при этом на заднем фронте наблюдался второй импульс генерации. (Рис.2). С уменьшением 1| импульс вынужденного излучения постепенно смещался к концу нмпульса накачки

Предложена численная модель генерации вынужденного излучения на смежном переходе Она основана на использовании самосогласованной системы уравнений для ноля и трехуровневой среды в условиях однородного уширения линии поглощения Численные решения воспроизводят основные прсмснпмс особенности генерации вынужденного излучения на смежном переходе. Н частности расчёты демонстрируют переход от моноимпульсного режима генерации к ничковому

Лвухпичковая генерация на смежном переходе

режиму при увеличении мощности накачки. Предложена качественная интерпретация этого нелинейного процесса. Вместе с тем отмечается отсутствие количественных совпадении энергетических параметров эксперимента и численной модели Причина расхождений можег бын, связана с необходимостью включить в численный анализ неоднородное уширенне резонансных переходов

Гшнал ВЧВС появлялся при значениях I""/" * 600 кВт/см2 С ростом его интенсивность 1С также возрастала (Рис 3) Однако после появления вынужденного

излучения на смежном переходе рост 1с вначале замедлялся, а затем наблюдалось уменьшение интенсивности сигнала ВЧВС. В то же время интенсивность вынужденного излучения 1в с ростом Ь возрастала по закону, близкому к экспоненциальному

Были ткже проведены исследования зависимости интенсивности сигнала ВЧВС с задержкой 1с и интенсивное! и вынужденного излучения на смежном перехоле Iв ог расстройки А частоты накачки от частоты резонанса (Рис.4).

/(,«т<<

«Г

«С?1

д _ о Ггтцнм С 4 I

м

И

о ,

J_I

ты :»

I I 4 I

« 11,н1я/т>

1>нс 1

Завнснчикчь ишеисн»н1н:111 посшнала I,. и коюрентною и 1Л>-менн« на смежном мерсчоле 1^01 ншснсппностн Екн6\жлаюшсю лан'ра 1|

о

Установлено, что в области расстроек Д, где возбуждается вынужденное излучение,

интенсивность !с уменьшается (Рис.4). При этом, как и следовало ожидать, 1„ достигала максимума в условиях точного резонанса В то же время при /, < /|",р"'', т.е. когда генерация не возбуждалась, провала в частотной зависимости интенсивности эхо-сигнала

зарегистрировано не было.

Наконец было установлено, что в случае использования кристалла ЬаР.д.Рг' с концентрацией иона Рг1' с=1,0 ат%, где эффективность возбуждаемой генерации на смежном переходе была выше, имело место полное подавление сигнала СФЭ в условиях точного резонанса

Глава завершается выводом о том, что обнаруженный эффект может быть использован как оперативный метод удаления из рабочей среды наведённых в ней за счёт воздействия двух разнесённых во времени световых импульсов решёток населёиностей и возврат её к термодинамическому равновесию.На его основе предлагается макет устройства, осуществляющего оперативное стирание информации в оптическом ЗУ на основе эффекта стимулированного фотонного эха.

Рабочая среда оптического запоминающего устройства помещается в высокодобротный резонатор, позволяющий резко уменьшить порог возбуждения генерации на смежном переходе Внутри резонатора для управления его добротностью имеется электрооптический затвор. Когда он закрыт, генерация не развивается и записанная оптическим ЗУ информация хранится или считываем третьим импульсом. При подаче на затвор открывающего напряжения, за время --2-5-3 не от момента начала любого из импульсов накачки, возникает мощное

Рис 4.

Зависимости интсисивностсй эхо-сигнала 1е и когерентного излучения на смежном переходе (¿от расстройки Л частоты накачки от резонанса с переходом 'Нг'Р.,

вынужденное излучение, приводящее к уничтожению "решётки" населённостей, в

которой хранилась записанная информация. Важным преимуществом

предложенного способа стирания_является то обстоятельство, что после его"

осуществления рабочая среда оптического ЗУ находится в основном состоянии и

полностью готова к записи новой информации

В трет ьеи главе изложены результаты исследований пространственных и

временных характеристик

стимулированного фотонного

эха (СФЭ) в кристалле

ЬаРчРг1 . Вначале

описывается эффект

корреляции временной

формы СФЭ с формой

[>ис третьего возбуждающего

Осциллограмма эф<|>екта корреляции формы ВЧВС с импульса, наблюдавшийся задержкой во времен» (В1ШС) и контура третьего

возбуждающего импульса (интенсивность импульса подавлена впервые в дпссертациоггной при ретнеграцни СФЭ)

работе (Рис.5). Приведенные оценки импульсной площади и длительности импульса кода с учётом возможных пшерь ншеношносш в оптических трактах установки датог вполне удоплетпори-телыюе согласие с требоваттиями теории фотонного эха сложной формы. Экспериментально также наблюдались эффекты искажения контура фотонного эча и временные особенности СФЭ при отходе от резонанса.

Основное внимание уделено исследованию впервые экспериментально обнаруженною явления интерференции сигналов вырожденного четырёхволнового смешения с задержкой во времени при их когерентном возбуждении двумя парами импульсов, не перекрывающимися во времени

Показано, что воздействие на среду с неоднородным уширением резонансной линии последовательности двух импульсов накачки приводит к вошнкновенпю внутри контура неоднородного уширения частотно-модулированной разности населённостей как в основном, так и в возбужденном

состояниях (решётки), на которой происходит "дифракция" третьего "считывающего" импульса, приводящая к возникновению оптического отклика среды -стимулированного фотонного эха. Проведён численный расчёт такой решётки

Если до воздействия считывающего сигнала возбудить среду дополнительной парой импульсов, то создаваемая ими частотная решётка будет интерферировать с решёткой от первой пары, приводя к усилению или ослаблению

процесса вынужденного четырёхволнового смешения с

задержкой во времени. Из

Последовательность лазерных импульсов в методе противофазной решйтки Услов,,я, что

решётки формируются независимо следует, что их уничтожение друг с другом в

результате суперпозиции в частотной области будет иметь место, если их относительная разность фаз сдвинута друг относительно друга на л/2.

Для наблюдения этого явления исходный лазерный луч разделялся не на три, а на пять пучков, и с помощью оптических линий задержек формировалась последовательность одинаковых по интенсивности пяти импульсов накачки. Задержка между импульсами первой пары составляла т^ (40>.2)нс. Вторая дополнительная пара рождалась из первой и совмещалась с ней с помощью оптической схемы, представляющей собой комбинацию интерферометра Майкельсона и линии задержки. При этом она отстояла от первого импульса на время тц--(100±2)нс и имела задержку т^Хи+Д. Величина А могла варьироваться с очень высокой точностью в небольших пределах за счёт введения в одни из лучен второй пары топкой плоскопараллельной стеклянной пластинки, при вращении которой менялась длина ею оптического нут, а следовательно, и время tr?. Считывающий импульс подавался через 220 не после первого. Используемая оптическая схема позволяла наблюдать в пространстве два сигнала ВЧВС с задержкой во времени, сигнал jxo

1 1' 2' 111 3 эхо, эхо' I

ч» 1 'if ъ 1

Рис'6.

(Рис.6), возникающий от первой пары и считывающего импульса' при закрытой второй паре (его пространственное распределение интенсивности приведено на Рис,7,а), и сигнал зх«'(Рис 6), возникающий от второй пары и считывающего импульса при закрьпой первой паре (Рис 6,6) Они появлялись с точностью до малой величины Л в одно и то же время Т|2 после подачи на среду считывающего сигнала и имели практически однородное пространственное распределение по интенсивности В случае же подачи на среду всех пяти импульсов накачки наблюдалась суперпозиция двух сигналов ухо и зхо\ проявляющаяся в образовании пространственной интерференционной картины. (Рпс.7,в). Появление такой картины, а не полное подавление оптического отклика среды, свидетельствует о том, что волновые векторы сигналов ВЧВС эхо и эхо' отличаются друг от друга.

В заключение главы отмечается, что описанное выше явление может быть использовано для создания способа оперативного стирания информации в рабочей среде ОЗУ, когда до воздействия считывающего сигнала действуют на среду

парой импульсов, противофазных к запн-11ространст венное распределение

сывающим. Создаваемая этой парой

шлснсняностси ВЧВС с задержкой во

"решётка" населённостей будет находится времени а - от нервом пары нмтдьсов. о - ог г

второй пары импульсов,«- при Также в протнвофазе к "решётке", создан-

интерференшш дв>\стналов ВЧВС Э и Э' ной первой парой, приводя к её уничтожению, а значит и к стиранию записанной в ней информации. Отмечается, что такой способ стирания информации обладает свойством селективности.

В четвёртой главе обсуждаются особенности дефазировки резонансных оптических переходов иона Рг1' в кристалле Уг5Ю5 Впервые получены электронные спектры поглощения и флуоресценции иона Рг" в интервале от 1СЛИСПМХ до ¡нотных температур и щучена их тонкая структура и характер температурного уширення Проведены экспериментальное наблюдения

# * а *

♦ в

температурного распада когерентности в кристалле Рг :У28Ю5 (Рис.8,а) и дано им сравнение с температурными спадами фотонного эха в кристалле Ьа^Рг". Полученное на участке температур 10-20К значение полуширины уровней мультиплетного расщепления в основном состоянии уч=6,3х Ю'с"1 практически на два порядка отличается от такового в кристалле ЬаР3:Рг,\ Различие значений кон£тан1ы у„ для кристаллов ЬаГл.Рг1' и Рг1' может быть связано с

особенностями кристаллической структуры решетки. Дело в том, что низкоснмметричном кристалле У^СЬ с точечной группой симметрии Сл. кристаллическая структура может быть представлена в виде атомных плоскостей и цепочек. Возможно, что и фонониые свойства такой кристаллической матрицы будут иметь значительную анизотропию. Л это в свою очередь можег модифицировать элемрон-фононное взаимодействие примесных иоиов и снизить скорость фазовой релаксации.

г ,,

Анализ кривых температурного спада для кристалла УгБЮа'.Рг на участке (6-10К) (см. Рис 8,6) позволил сделать вывод о существовании нового механизма дефазировкн, который может проявиться в области низких температур до

Рис N

Температурные спады амплитуды фотонного эха в кристаллах (.а^ьРг1' и У^СК: Рг"

орбаховского механизма. Происхождение этого механизма возможно связано с туннелированием ионов празеодима между двумя неэквивалентными положениями

в кристаллической решётке, вызывающим соответствующую дефазировку в области температур 6-10К (рис 8,6).

Основные выводы

I. Создана оригинальная установка, позволяющая проводить исследования когерентных переходных процессов типа вырожденного четырёхволнового смешения с задержкой во времени в резонансных средах. Её основными элементами являются: автоматическая перестраиваемая по длине волпы во всей видимой области спектра лазерная система, оптический криостат с регулируемой в диапазоне от 4.2 К до 300 К температурой и скоростная система регистрации слабых оптических сигналов. Данная установка позволяет также осуществлять измерение времён релаксации возбуждения в различных средах, исследовать их спектры поглощения, пропускания к флуоресценции со спектральным разрешением до 0,01А.

2 Впервые предсказано и экспериментально обнаружено явление интерференции пс перекрывающихся но времени световых импульсов при их вырожденном четырёхволновом смешении Предложено теоретическое объяснение наблюдаемого явления, базирующееся на суперпозиции двух частотных "решёток" населённостей, создаваемых внутри контура неоднородного уширения рабочего перехода двумя нарами возбуждающих импульсов

3 Впервые осуществлено возбуждение стимулированного фотонного эха совместно с генерацией когерентного излучения на смежном переходе в кристалле ЬаР.,:Рг '. При точном резонансе возбуждение генерации приводит к полному подавлению сш нала ВЧВС.

4. В условиях резонансного когерентного возбуждения перехода 'Н4<=>'Рп щучены основные особенное)и 1енсрацнп вынужденного излучения на смежном 'Ро<=>'Пб переходе. Установлено, что его длительность составляла 2-3 не, порог возбуждения не превышал 18 МВт/см", а максимум энергии достигался в условиях

17

точного резонанса. Впервые наблюдалось смещение импульса генерации к началу импульса накачки н разбиение его на два с увеличением мощности возбуждающего лазера. Наблюдавшиеся при численном моделировании временные особенности генерации на смежном переходе качественно хорошо согласуются с экспериментальными данными.

5. Проведены исследования временных характеристик процесса вырожденного четырехволнового смешения с задержкой во времени. Впервые экспериме1ггалыю наблюдался эффект корреляции временной формы стнмулировшшого фотонного эхо с временным контуром третьего возбуждающего импульса. Полученные результаты хорошо согласуются с теоретическими представлениями.

6. С использованием эффекта фотонного эха изучены особенности дефазнровки резонансных оптических переходов иона Рг3* в кристалле Уг8»05. Впервые получено значение константы, определяющей скорость орбаховского релаксационного процесса с участием одного из уровней мультиплетного расщепления состояния 3Ш. Установлен новый механизм дефазнровки оптических переходов примесных ионов в кристаллах. Природа его возникновения по-видимому связана с тушеелированием ионов Рг1* между двумя неэквивалентными положениями, которые они могут занимать в матрице УгЗЮ5.

7. Предложены две схемы управляемого стирания информации в оптических запоминающих устройствах на основе фотонного эха. В одной из них используется явление интерференции не перекрывающихся во времени световых импульсов при

их вырожденном четырёхволновом смешении, а во второй - эффект подавления ВЧВС при возбуждении генерации на смежном переходе.

Публикации по теме диссертации

1. Е A.Manykin, O.A.Evsin, l.S.Muhin, E.A.Petrenko et al., Coherent laser action in LaFj.Pr , - In Quantum Electronics Laser Science, 1991 Technical Digest Series (Optical Society of America, Washington, D C., 1991), p. 154.

2. E.A.Manykin, N V /.namenskii, D V Marchenko, E.A.Petrenko, Suppressed stimulated echo in doped crystals. - In Conference on Laser and Electro-Optics, 1992, Technical Digest Series (Optical Society of America, Washington, D C ., 1992), p.124-125.

Э.А Маныкин, Н.В.Знаменский, Д.В.Марченко, Е.А.Петренко Эффект подавления стимулированного фотонного эха при возбуждении когерентного излучения на смежном переходе. - Письма в ЖЭТФ, 1991, том. 54, вып.З, с.172-174.

4 Э А.Маныкин, М II Белов, О А.Евснн, И.С Мухин, Е.А Петренко и др Некоторые особенности фотонного эха в LaF.^Pr1' и принципы оптического эхо-процесспнга - Груды ФТИАН, том 2, Микрострукгурирование тонких плёнок -М . Наука, 1991, с.84-105

5 Э А Маныкин, II В.Знаменский, Д В Марченко, Е А.Петренко М.А.Селифанов -Интерференция не перекрывающихся во времени световых импульсов при их вырожденном чегырёхволновом смешении - Письма в ЖЭТФ, 1992, том 56, № 2, с 74-77

6. Е.A.Manykin, N.V.Znamensky, D.V.Marchenko, E.A.Petrenko, M.A.Selifanov Elabo- • ration of rapid data erasure methods in an optical storage device based on the photon echo elTect - Optical Memory anil Neural Networks, vol 1, No 4, p 239-256, 1992 7 Э А Маныкин, Е А Пегренко, Н А Чернышев Способ произвольного считывания информации in трехкоординаптого запоминающего устройства на основе фогонното эха. - А с СССР №1356840, 1986, МКИ G1 IС13/04.

8. Э.А.Маныкин, Н.В.Знаменский, Д В.Марченко, Е.А.Петренко; М.А.Селифанов Оперативное стирание информации в средах со спектрально-селективным способом её хранения - Изв АН, сер.физ.,1995,том 59, №2,стр. 168-173.

9. Ю.В.Малюкин, Н.Л.Погребняк, В.П.Семнноженко, Э.А.Маныкин, ДВ.Марченко, Н.В.Знаменский, Е.А.Петренко Особенности дефазировки резонансных оптических переходов иона Pi"1' в кристалле YjSiOj

. - ЖЭ'ГФ, 1995, том 108, вып.2(8), стр.485-492.

10. Ю.В.Малюкин, Э.А.Маныкнн, Д В.Марченко, Е. А,Петренко, Н.Л.Погребняк, В.П.Семнноженко, Н.В.Знаменский, Особенности дефазировки резонансных оптических переходов иона Рг1' в кристалле Y2SÍO5 - Тезисы докладов XV Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике и VIII конференции по лазерной оптике, С.-Петербург, 1995, т.З, с.57-58.

Подписано в печать 11.06.97. Формат 60x90/16 Печать офсетяаа. Усл. печ. л. 0,6. Уч.-мад. л. 0,6 Тираж 74. Заказ 13. Индекс 3624

Отпечатано ■ РНЦ «Курчатовский институт»

123182, Моема, пл. Академика Курчатова