Оптические высокодобротные мини и микрорезонаторы в прецизионных измерениях тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ М.В.ЛОМОНОСОВА

Физический факультет Г Г Б ОД

П Г • . г Т1 1 О ¿Л^

На правах рукописи УДК 535.417.2:621.373

Савченков Анатолий Александрович

ОПТИЧЕСКИЕ ВЫСОКОДОБРОТНЫЕ МИНИ И МИКРОРЕЗОНАТОРЫ В ПРЕЦИЗИОННЫХ ИЗМЕРЕНИЯХ.

(01.04.01 - Техника физического эксперимента, физика приборов, автоматизация физических исследований)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук.

Москва - 2000

Работа выполнена на кафедре молекулярной физики и физических измерений физического факультета МГУ

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

член-корреспондент РАН, профессор В.Б.БРАГИНСКИЙ Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

А.А.Каминский (Институт Кристаллографии РАН) кандидат физико-математических наук И.И.Виноградов (Физ. фак. МГУ)

Ведущая организация: Институт Спектроскопии РАН

Защита состоится " " 2000 г. в ауд. на заседании Специа-

лизированного Ученого Совета N2 отделения экспериментальной и теоретической физики физического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова. (Адрес: 119899, г. Москва, Воробьевы горы, МГУ, физический факультет). ¿у р ст

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ.

»/^ »

Автореферат разослан " 2000

Ученый секретарь Специализированного Совета N2 отделения экспериментальной

и теоретической физики ¿XОП.А.Поляков

и

В 3 Ч 2>, Ч {и ги^г^о-^ ¿л ^ с

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Бурное развитие современной техники связи и компьютерных сетей вызвало массовый переход к оптоволоконным линиям передачи, что подхлестнуло разработку малогабаритных оптических устройств: фильтров, модуляторов, дефлекторов, мультиплексоров и т.д. В настоящее время достаточно полно разработаны принципы построения и создана широкая гамма гибридных: электро- и акустооптических элементов. Однако потребности дальнейшего роста быстродействия систем оптической обработки информации настоятельно диктуют переход к чисто оптическими линейными и нелинейными устройствам, которые, кроме того, открывают путь к значительному сокращению габаритов приборов и уменьшению энергопотребления.

На кафедре МФФИ физического ф-та МГУ было разработано принципиально новое устройство - сферические микрорезонаторы с модами типа шепчущей галереи, сочетающее малый размер, высокую добротность и высокую концентрацию оптического поля.

Как было показано, сферические микрорезонаторы могут быть с успехом использованы для стабилизации диодых лазеров, что позволяет расчитывать на создание в ближайшем будущем компактных перестрае-вымых в широком диапазоне лазеров с очень узкой линией излучения. Кроме того, высокодобротные микрорезонаторы могут быть использованы для создания узкополосных оптических фильтров большой резкости, стабилизации СВЧ генераторов на разностной частоте, а также как чувствительный элемент датчиков температуры, давления, физических и химических свойств окружающей среды.

Все эти приложения весьма чувствительны к такому параметру оптического резонатора как его оптическая добротность. В случае стабилизации лазера внешним резонатором добротность влияет на уровень частотных шумов генератора. Чувствительность детекторов разного рода на основе микрорезонаторов также прямо пропорциональна добротности.

Еще одним важным фактором применимости оптических микрорезонаторов является стабильность параметров резонатора и в частности поддержание добротности на высоком уровне в течении всего срока работы резонатора.

Цель работы

1. Получение максимально возможной добротности мод оптических микрорезонаторов, определяемой лишь фундаментальными потерями в материале

2. Разработка методов изготовления и сохранения резонаторов, позволяющих поддерживать их уникальные оптические свойства в течении длительного времени.

3. Исследование физико-химических эффектов на поверхности резонатора и возможности их практического использования для изучения свойств жидкостей.

Научная новизна работы

Научная новизна определяется следующими наиболее важными из полученных результатов:

Разработана методика изготовления оптических микро и минирезо-наторов с модами типа шепчущей налереи, позволившая достичь добротности мод, ограниченной лишь фундаментальными оптическими потерями в материале. В частности, на длине волны 0.63 микрометра достигнута добротность 8 х 109;

Обнаружена особенность оптических микрорезонаторов: деградация добротности в обычных лабораторных условиях, обусловленная абсорбцией воды. Уменьшение добротности на 70% от исходной за время порядка 100 секунд;

Показано, что высокая добротность на уровне 6 х 109 может сохраняться в течение длительного времени в сухой атмосфере;

Показано, что микрорезонаторы позволяют с высокой точностью измерять малые оптические потери в жидкостях вблизи границы раздела жидкость - твердое тело;

С помощью разработанного метода погруженного резонатора бып наблюден эффект порогового изменения оптических потерь в бинарном растворе, обусловленный сольватацией при изменении концентрации компонентов;

Практическая ценность работы

Сферические микро и минирезонаторы могут найти широкое применение для стабилизация диодных лазеров, для создания узкополосных оптических фильтров большой резкости, для стабилизации СВЧ генераторов на разностной частоте, в качестве чувствительных элементов датчиков температуры, давления, измерителей физических и химических свойств окружающей среды и в других областях.

Апробация работы

Научные результаты изложенные в диссертации коррелируют с данными о сорбции атмосферной воды и временных характеристиках разрушения поверхности вследствие коррозии и других воздействий химического характера. Предельные значения оптических добротностей вплотную приближаются к потерям обусловленным фундаментальными потерями в материале.

Результаты работы докладывались на конференциях

St.Petersburg'95, Photonics West'98, Ломоносов-2000

Это позволяет считать полученные результаты полностью обоснованными и достоверными

Публикации

По теме диссертации опубликовано пять работ, список которых приведен в конце реферата.

Объем и структура работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Общий объем 108 страниц, в том числе 26 рисунков и 3 таблицы. Список литературы содержит 104 наименования.

II. КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во ВВЕДЕНИИ обосновывается актуальность темы, формулируются цели и задачи диссертационной работы. Приводится структура диссертации и ее краткое содержание.

ГЛАВА I "Открытые оптические диэлектрические резонаторы и влияние сорбционных процессов, на их оптические свойства." (литературный обзор)

В §1.1 расмотрены известные оптические резонаторы. Наиболее распространены открытые резонаторы, аналогичные резонатору Фабри-Перо (ИФП), высокодобротные колебания в которых получаются вследствие многократных отражений электромагнитной волны от системы зеркал. Разрежение спектра в также квазиодномерных системах достигается благодаря сильному росту дифракционных потерь для неосновных типов колебаний.

Известны также ИФП и кольцевые резонаторы в волоконном и интегральном исполнении. Добротность колебаний в подобных системах пропорциональна отношению длины резонатора к длине волны и поэтому получение малогабаритных добротных резонаторов такого типа затруднительно. Так, применяемые в полупроводниковых лазерах, ИФП, в котором роль зеркал играют отполированные поверхности или сколы рабочего монокристалла имеют добротность ~ 102 -г 103.

В диссертации исследуется особый тип открытых диэлектрических резонаторов - диэлектрический сферический резонатор с модами типа "шепчущей галереи". Для получения слабо затухающих колебаний используется эффект полного внутреннего отражения в телах аксиальной симметрии.

В видимом оптическом и ближнем инфракрасном диапазонах при использовании прозрачных диэлектриков с г = тг2 < 3 минимальный размер резонатора с азимутальными модами, необходимый для обеспечения малости излучательных потерь (на уровне (Ц*1 < Ю-10) составляет величину Я ~ 15А. Это позволяет совместить высокую добротность > Ю10) с малыми размерами, отвечающими запросам совре-

менной оптической техники и приемлемым межмодовым расстоянием Лг^ > (1 ч- 100)ГГц.

В §1.2 приведен обзор работ по экспериментальным исследованиям разрушения поверхности кварцевого стекла под воздействием воды. Изучался ход гидролитических процессов у поверхности кварцевого стекла, являющегося, по общепринятому мнению наиболее устойчивым к воде из всех стеклообразных тел на кремнекислородной основе.

Измерения выполнялись в спектральном диапазоне основных валентных колебаний групп ОНио_и и на комбинационных (валентных деформационных) частотах воды, групп БЮН и др.

Оказывается, что в нормальных лабораторных условиях при комнатной температуре на кварце отсутствует существенно разрыхленный ги-дратированный слой, характерный, например для щелочно-силикатных стекол, а травление этого стекла в НЕ, переводящее его в другое состояние, также не сопровождается каким либо химическим преобразованием его поверхностного слоя.

Вакуумирование при 20°С лишь частично удаляет воду, а слабое травление дефектов НЕ значительно уменьшает количество капиллярно-конденсированной воды на стекле. Сообщается, что обработка стекла в тлеющем разряде увеличивая дефектность его поверхности намного увеличивает количество сорбированной воды. Вместе с тем, количество воды, адсорбированной непосредственно на гидроксилах стекла, при ваккуумировании и травлении почти не меняется.

Избирательный гидролиз кварцевого стекла изучали при температурах 700-1200°С. Процесс частично обратим уже при температурах 100°С. Регидратация после высокотемпературного отжига, достаточно полно удаляющего воду и следы органических загрязнений, затруднена.

Дифференциальная спектроскопия МНПВО позволяет обнаружить гидролитические разрывы связей = 5г — О — 5г = этого водоустойчивого тела уже при 70°С. Как сообщается, процесс идет одинаково на механически полированных и травленных стеклах.

Методически важно, что последующий нагрев при 300°С удаляет воду из поверхностного слоя, не меняя при этом количество гидроли-

тически разорванных связей.

С повышением температуры до 500°С гидролитический разрыв связей поверхности кварцевого стекла идет довольно интенсивно уже в обычных условиях, в этом случае гидролиз происходит в слое стекла толщиной 1.6 мкм с разрывом всего лишь 0.1-0.3% кремнекислородных связей. Последнее указывает на повышенную сорбционную способность малой части связей кварцевого стекла.

Избирательный механически стимулированный гидролиз кварцевого стекла в отсутствии приложенной нагрузки происходит на деформированных связях, причем повышенная гидролитическая активность малой части связей ЭьО обусловлена не только их напряженностью, но и сопутствующим ей ростом степени ионности связи, что улучшает условия адсорбции на ней воды.

Обнаружены интересные примеры резкого повышения реакционной способности деформированных связей кремнекислородных структур по отношению к воде. Указывается на уникальную кристаллическую модификацию кремнезема, содержащую циклолинейные цепи в которых связи очень сильно деформированы (длина связи 1.87Аи угол БьО-Б! 93°); благодаря этому вещество необычайно легко химически взаимодействует с атмосферной влагой уже при 20°С..

В §1.3 приведен обзор теоретических работ по сорбционным процессам в тонких пленках.

Первоначально основной теоретический анализ зарождения новой фазы проводился в рамках классической теории зарождения Зельдовича без учета изменения пересыщения в процессе конденсации и тем более без учета возможности смены механизмов роста отдельных островков. Поэтому сравнение экспериментальных результатов по зарождению новой фазы на поверхности с теорией Зельдовича показывало существенные различия между ними.

Это привело исследователей к ошибочному выводу о невозможности использования классической теории фазовых переходов в процессах на поверхности и необходимости отказа от них. В частности, предполагалось, что такая величина, как удельная межфазная энергия, вообще не

может быть использована при описании начальных стадий зарождения тонких пленок. По этой причине появились так называемые дискретные модели, описывающие зарождение навой фазы с помощью методов равновесной статистической механики. Среди их наиболее примечательны модели Уолтона-Родина , Люиса-Кембэлла и Цинсмейстера.

Тогда же интенсивно шли фундаментальные исследования кинетики фазовых переходов первого рода. Было показано, что кинетика фазовых переходов первого рода - сложный многостадийный процесс, который сопровождают различные нелинейные явления. К таким стадиям обычно относят стадии зародышеобразования, сепаратного роста зародышей новой фазы, коалесценцию и позднюю стадию, т.е. оствальдовское созревание, она которой рост более крупных островков осуществляется за счет растворения более мелких. Этот процесс является следствием разности лапласовского давления на больших и маленьких Зародышах. Указанные процессы имеют совершенно различные масштабы времени. Наиболее быстро протекает стадия зарождения, затем - стадия сепаратного роста.

Существенной особенностью зарождения новой фазы на поверхности подложек по сравнению с гомогенным образованием в объеме является то, что подложка содержит различные дефекты. Дефекты обычно подразделяются на точечные и линейные, к которым относятся ступени, выходы дислокаций и царапины. Даже идеальная подложка содержит такие дефекты, как уровни Тамма, образованные незавершенностью кристаллических плоскостей.

Существующие теории образования новой фазы на поверхности твердых тел исходят либо из классической теории зарождения, модифицированной для двумерного случая и учитывающей возможную роль дефектов в процессе зарождения, либо атомистической модели Ултона-Родина. Согласно теории Ландау даже при Т=0 поверхности, имеющие отклонение от плотноупакованной ориентации, должны быть ступенчатыми, чтобы обеспечить минимум поверхностной энергии.

После того как устанавливается равновесие между поверхностью и окружающей ее исходной фазой, на поверхности твердого тела образу-

ется двумерный "газ" адатомов с некоторой поверхностной плотностью. Изучению термодинамических и кинетических характеристик такого адсорбированного "газа" посвящены многие работы.

В этом разделе рассматриваются работы связанные с термодинамической устойчивостью, неустойчивостью и метастабильностью данных систем, поскольку именно эти характеристики непосредственно связаны с возможностью фазовых превращений в адсорбированных слоях.

Режимы роста тонких пленок обычно разделяются на послойный, островковый и промежуточный. Послойный режим, или режим Франка - ван дер Мерве реализуется в том случае, если атомы осаждаемого вещества связаны с подложкой более сильно, чем друг с другом. Моноатомные слои заполняются в этом случае по очереди, т.е. двумерные зародыши (толщиной в один атом) следующего слоя образуются на верхней части зародышей предыдущего слоя после его заполнения. Равновесная форма зародышей находится по теореме Вульфа.

Теоретическое описание послойного роста обычно дается в рамках модели Кашчиева или ее модификаций. Островковый режим или режим Фольмера-Вебера, реализуется в противоположном случае, когда атомы осаждаемого вещества связаны между собой сильнее, чем с подложкой.

В островковом режиме маленькие зародыши образуются прямо на поверхности подложки и затем растут, превращаясь в большие островки конденсированной фазы . Затем сливаясь, эти островки образуют после заполнения каналов между ними сплошную пленку . В промежуточном режиме, или режиме Странского - Крастанова, вначале реализуется послойный рост, заем, после заполнения одного - двух слоев, начинается островковый режим роста. Таким образом материал подложки и тип ее поверхности определяют режим роста пленки.

На поверхности, согласно современным представлениям, различают следующие основные способы миграции атомов и распространения энергии, в частности тепла: трехмерная или объемная диффузия атомов и трехмерный отвод тепла; двумерная диффузия атомов по поверхности подложки и двумерный отвод тепла; одномерная диффузия атомов вдоль ступеней подложки, выходов дислокаций и других линейных дефектов.

Островки могут расти также и за счет непосредственного поступления атом из пара на их поверхность.

Подробные расчеты для диффузионного роста островков были проведены Сигсби , Чакраверти и др. Однако авторы этих работ исследовали только один из возможных механизмов роста островков, а именно их рост за счет поверхностной диффузии адатомов. Оказалось также, что существенное влияние на скорость роста островков оказывают нестационарные эффекты, вызванные движением границ зародыша.

Теоретически и экспериментально показано , что рост островков новой фазы определяется двумя основными процессами - переносом вещества к островку, т.е. собственно процессом диффузии, и переходом атомов через межфазную границу раздела старая фаза - новая фаза, т.е. граничной кинетикой.

В частности, показано. Что между островком и паром адатомов может существовать потенциальный барьер, препятствующий прохождению атомов только в одном направлении, а именно к островку.

Многочисленные экспериментальные исследования показывают, что на начальных стадиях конденсации кристаллических пленок на чужеродных кристаллических подложках зародыши новой фазы могут сравнительно быстро перемещаться по поверхности подложки. Этот процесс является важным звеном в формировании структуры пленки.

ГЛАВА II Доминирующие оптические потери в сферических диэлектрических резонаторах на азимутальных модах, (теоретический анализ)

§2.1 посвящен анализу причин, ограничивающих добротность оптического микрорезонатора с модами шепчущей галереи. Доминирующими являются излучательные потери, обусловленные внутренним отражением от изогнутой поверхности, затухание поля внутри резонатора (рассеяние, поглощение), потери в окружающей резонатор среде, потери из за связи с нагрузкой. Излучательные потери можно найти как отношение действительной и мнимой части решения характеристического уравнения.

Излучательные потери можно объяснить, как срыв электромагнитного поля с изогнутой внешней поверхности (радиационная добротность). В теории волноводов такие потери изестны как потери на изгибе. Приведены оценки этого вида потерь для резонатора в воздухе и в жидкости. Показано, что излучательная добротность экспоненциально растет с ростом отношения радиуса резонатора к длине волны.

Излучательная добротность не препятствует достижению добротности до 10ш уже при размерах резонатора > 20А.

В §2.2.рассмотрено явление частичного выпадения поля мод шепчущей галереи. Эффект частичного выпадения поля мод шепчущей галереи может найти применение для исследования оптических свопсть жидкостей в тонком пограничном слое диэлектрика. Вычислена часть энергии, циркулирующая в среде, окружающей резонатор. Приводятся картины распределения оптических полей в зависимости от относительного коэффициента преломления. Приводятся графики зависимости коэффициента включения от относительного коэффициента преломления.

Наиболее близким методом изучения оптических свойств вещества в пограничных слоях является спектроскопия МНПВО, однако чувствительность его невысока. В данном случае, измеряя добротность резонаторов, погруженных в исследуемое вещество можно добиться существенно большей точности измерений как оптических потерь, так и коэффициентов преломления.

В случае, когда исследуемым веществом является вода, а микросфера изготовлена из кварцевого стекла малая разность показателей преломления приводит к относительно высоким коэффициентам включения. В частности для резонатора диаметром 140 мкм К — 10%

Вообще, приближение величины коэффициента преломления среды к коэффициенту преломления диэлектрика, из которого изготовлен сферический микрорезонатор приводит к резкому росту доли электромагнитного поля, циркулирующего вблизи границы раздела сред.

Необходимо особо отметить то, что оптические свойства среды в пограничной области могут иметь мало общего со свойствами среды в объеме. В частности, вода образует на поверхности кварцевого стекла

гидроксилированный слой гидроксилов ОН, а водноспиртовые растворы - структуры дальнего порядка, возникновение которых связано с процессами сольватации.

Даже изначально чистая поверхность, как указывалось ранее, со временем покрывается слоем сорбированных молекул и захваченных дисперсными сипами микрочастиц пыли. Кроме того поверхность подвергается разрушению вследствие процессов коррозии. Все эти факторы приводят к тому, что на практике добротность оказывается ограниченной сверху величиной меньшей, чем вследствие фундаментальных потерь в объеме.

Показано, что сама структура открытого сферического диэлектрического резонатора на азимутальных модах подразумевает высокую амплитуду поля на границе раздела сред. Именно состояние поверхности, как будет показано экспериментально, определяет временное поведение оптических потерь.

ГЛАВА III. Изготовление сферических микро и минирезо-наторов

В Главе описаны различные технологии изготовления оптических диэлектрических миврорезонаторов из плавленого кварца.

Для изготовления сферических минирезонаторов использовались образцы высокочистого плавленого кварца, любезно предоставленного сотрудниками Калифорнийского Технологического Института и отечественного кварца КЗ-4У.Перед использованием кварц очищался травлением в плавиковой кислоте. После травления полученные отрезки кварца промывались в дистиллированной воде. Описана технология получения очи-щеных заготовок кварцевого стекла удобных дп последующего изготовления микрорезопаторов.

В §1 Описан способ изготовления кварцевых микросфер с помощью ИК лазера. Использовался 2 лазер, работающего в режиме непрерывной генерации в диапазоне 10 мкм мощностью 40 Ватт. Инфракрасное излучение с помощью системы металлических зеркал фокусировали в некоторую точку, расположенную над местом предполагаемого положе-

ния кварцевой заготовки.

Заготовку, которая представляла собой короткий отрезок тонкой нити, вытянутой в пламени газовой горелки из чистого куска кварца крепили на регулируемой подставке. Таким образом вертикально расположенный отрезок можно было плавно вводить в область сфокусированного лазерного излучения, нагревая верхний его конец. При таком нагреве верхняя часть кварцевой заготовки разогревалась до температур плавления и выше, переходя в жидкую фазу. Это приводило к тому, что силы поверхностного натяжения формировали небольшую жидкую сферу, диаметром от 40 до 300 микрометров.

Несмотря на простоту и кажущуюся чистоту обработки лазерный процесс изготовления диэлектрических микросфер обладает рядом недостатков. Основным является невозможность добиться однородного температурного поля на поверхности образца.

В ряде случаев неоднородность нагрева вызывала испарение кварца в некоторых частях резонатора, что приводило к загрязнению его поверхности и падению стартовой добротности.

Во второй установке (§2) для изготовления резонаторов использовалась водородно-кислородная горелка. Водородно-кислородная установка, применявшаяся для получения сфер из кварцевого стекла диаметром до 1000 микрон состояла из генератора электролизерного типа кислород-водородной газовой смеси, емкости для предварительной осушки газа, водно - спиртового затвора предохраняющего газогенератор от проникновения в него пламени и одновременно повышающего его температуру и оконечного сопла. Все операции по изготовлению микрорезонаторов проводились в поле зрения бинокулярного микроскопа. Сначала к плоской подложке из кварца приваривался вытянутый до требуемой толщины отрезок заготовки длиной до 5 миллиметров. При нагреве конца получившегося образования и его оплавлении происходило постепенное формирование под действием сил поверхностного натяжения шарика правильной формы. Сформированный на такой ножке резонатор подвергался дополнительному более слабому нагреву для окончательного сглаживания поверхностных неоднородностей и снижения не-

сферичности. Исходя из величин полученной оптической добротности и расщепления мод несферичность резонаторов оценивалась, как величина меньшая чем 10~3.

Для снижения вклада поверхностных потерь в общую добротность эксперименты были продолжены с увеличенными сферами из плавленого кварца. Для этого газовая установка была модернизирована таким образом, чтобы выровнять температурное поле, в котором обрабатывался резонатор (§3).

Система пламенной обработки представляла собой шесть симметрично расположенных на окружности сонаправленных регулируемых сопел. Расстояние между соседними соплами составляло от 3 до 10 миллиметров. Особенностью такой конфигурации сопел в горелке являлось однородное пламя с малох! скоростью течения и пониженной температурой в центре системы сопел. Это позволяло помещать в высокотемпературную область вторичные заготовки для кварцевых сфер размером порядка сантиметра таким образом, что узкая центральная часть долгое время могла оставаться нер асплавленной.

Система сопел горелки была жестко закреплена на одной из подвижных платформ биологического микроманипулятора оснащенной микрометрической подачей. Это позволяло грубо регулировать положение и ориентацию пламени относительно заготовок.

Использование такой модификации установки для обработки заготовок позволило существенно упростить операции по изготовлению ми-нирезонаторов и повысить их сферичность. Одним из наиболее существенных недостатков газового способа производства является то, что в процессе изготовления поверхность минирезонатора все время находится в непосредственном контакте с водяными парами разогретыми до температуры в 2000°К. Многочисленные источники указывают на возможность протекания в таких условиях разнообразных реакций хемо-сорбции с образованием поверхностных конгломератов в частности вида БЮч — ОН. В случае же длительной обработки поверхности кварцевого стекла парами свободной воды возможны даже поверхностные образования гелевого типа. Такие квазипериодические структуры могли сильно

влиять на предельную величину поверхностных оптических потерь и, как следствие на добротность резонаторов.

В §4 описана новая перспективная технология изготовления микрорезонаторов в высокотемпературной части высокочастотного разряда емкостного типа.

Для изготовления резонаторов с поверхностью изначально не соприкасающейся с водяными парами применялась плазменная установка. В ней плазма формировалась с помощью высокочастотного разряда емкостного типа. Электроды, между которыми происходил разряд, были в одном случае гальванически изолированы как кварцевыми так и сапфировыми пластинами от области нагрева. В другом случае геометрия электромагнитного поля выбиралась таким образом, что проводящая область нагретого газа никогда не касалась металлических поверхностей. В такой геометрии разряда в плазму не могли проникать пары металла с диспергирующих под воздействием высокой температуры электродов. В обоих вариантах удавалось добиться устойчивого равномерно распределенного по области разрядного канала температурного поля, что можно было наблюдать по однородному свечению кварцевых образцов внесенных в разряд.

В немногочисленных экспериментах использовались вторичные заготовки, очищение травлением в плавиковой кислоте, что, по-видимому, исключало влияние предварительной пламенной обработки на величины оптических потерь.

Получившаяся заготовка представляла собой сферу из плавленного кварца размещенную на тонком волокне. Поверхность сферы после травления оказывалась весьма неоднородной и покрытой многочисленными кавернами, которые сглаживались при ее опаливании в высокочастотной плазме. Таким образом удавалось сформировать методом плазменной полировки минисферы с гладкой поверхностью, причем кварц из которого они состояли никогда не контактировал с парами воды разогретыми до высоких температур.

Глава IV Деградация и сохранение оптической добротности азимутальных мод сферических микрорезонаторов в различных условиях.

В § 1 описаны методики измерения оптической добротности мод шепчущей галереи микрорезонаторов и наблюдения их спектров.

Измерение добротности проводилось динамически!.: способом, который предусматривает непосредственное наблюдение озснансной кривой на экране осциллографа при линейной частотной модуляции (сви-пировании) измерительного генератора.

В качестве измерительного генератора использовало/ гелий-неоновый лазер ЛГ-52-3, перестраиваемый в пределах допплерог ской линии усиления газовой Не-Ие смеси пьезотрансляцией одного из зеркал.

Сфокусированный закрепленным на трехкоординатной подаче объективом пучок лазера попадал на призму, нагруженную резонатором. Переизлученный резонатором пучок, разнесенный с падающим в результате явления прецессии оптических мод шепчущей галереи, регистрировался с помощью ФЭУ, а сигнал с ФЭУ, в свою очергдь поступал на вход двухлучевого осциллографа. Такая схема позвол:. а наблюдать форму резонансной кривой на отбор. Для того, чтобы пс форме резонансной кривой определить числовые значения добротности, наблюдаемой моды частотная шкала измерений калибровалась.

Калибровка осуществлялась с гносптельно гелий-неонового лазера стабилизированного по частоте формированием серии частотных меток.

Исходя из того факта, что частотная модуляция базового лазера являлась линейной можно было откалибровать диапазон частотных наблюдений и, в частности, оределить цену одного деления в мегагерцах. После этого измерением полуширины резонансной кривой исследуемой моды определяли ее добротность.

Для измерения собственной добротности микросфер использовалось свойство асимптотического стремления добротности к собственной при уменьшении коэффициента связи. Коэффициент связк изменялся удалением или приближением резонатора поверхности возбуждающей призмы.

При измерении добротностей более чем 109 использовался метод измерения добротности определением времени затухания света в микрорезонаторе.

Измерения проводились методом определения времени затухания света в микрорезонаторе. Для возбуждения оптических мод кварцевых сфер использовали диодный лазер с мощностью до 20 миливатт, работающий в инфракрасном диапазоне на длине волны 810 нанометров.

Излучение вводили через фокусирующий объектив в акустооптиче-скую ячейку. При взаимодействии скрещенных сфокусированных оптического и акустического пучков происходило пространственное расщепление оптического пучка. Изменяя угол и место входа оптического излучения в ячейку можно было добиться такой ситуации, когда акустический и оптический фокусы оказывались совмещены. В этом случае время переключения отклоненного оптического луча было минимальным. Подбирая угол взаимодействия пучков нетрудно было добиться эффективности перекачки оптической энергии до 80%. Таким образом формировался управляемый отклоненный оптический луч время выключения которого в эксперименте составляло от 200 до 20 наносекунд. После формирования необходимой апертуры серией объективов сфокусированный финальным , закрепленным на трехкоординатной подаче объективом отклоненный пучок попадал на призму, нагруженную ми-нирезонатором. Переизлучение оптических мод резонатора вводилось в ФЭУ сигнал с которого подавали на осциллограф.

В §2 описаны результаты измерения добротности и резонансной частоты в лабораторной необезвоженной атмосфере.

В ранее опубликованных работах по кварцевым диэлектрическим микрорезонаторам сообщалось, что их добротность деградирует в лабораторных условиях на временах порядка минуты предположительно за счет осаждения на поверхность резонаторов пыли и атмосферной веды. Поэтому в экспериментах усилия были сосредоточены на сокращении времени между изготовлением ОДМР и измерением его добротности. Использовались особые оригинальные методы юстировки оптической схемы.

диаматр резонатора 2600 микрометров

12,0

10,С

"о

л 8,0

| 6,0 -Л 4,0 -2,0

0,0

Н

0:€0 12.00 0:00 12:00 0:00 12:00 0:00 время, часы

Для получения дополнительной информации о кинетике поверхностных процессов на микрорезонаторе также измерялась временная зависимость смещения резонансных частот мод ШГ ОДМР.

Удалось добиться рекордных на настоящий момент величин добротности на длине волны 810 нанометра фта1 = Ю10 в резонаторах большого размера (2600 микрон)

На длине волны 633 нанометра получена добротность, которая отличалась от величины, обусловленной фундаментальными потерями в кварцевом стекле ла величину ошибки из мерения 10% и составляла Ста! = 8 • 109.

Этот результат был воспроизведен с 20% разбросом по величине добротности в трех резонаторах от 600 до 900 микрон каждый раз между 50 - 60 секундами с момента изготовления ОДМР.

Тридцатисекундный отжиг при 400С вызывает частичное восстановление добротности в соответствии с гипотезой об адсорбции атмосферной воды как главной причине деградации добротности.

Временную зависимость смещения резонансных частот мод ШГ ОДМР можно было интерпретировать, как медленное изменение эффективного

1, |ГШ1

диаметра резонатора из за сорбции на его поверхности атмосферной воды. В этой модели полная эффективная толщина адсорбированного слоя между 1 и 30 минутами после изготовления составляет 2А, что по порядку величины совпадает с толщинами хемосорбированных пленок.

Для увеличения времени жизни добротности применялись две различные схемы газовой изоляции микрорезонаторов.

В первой (§3) использовалась прозрачная камера, заполненая обезвоженным чистым азотом. В камере располагались необходимые оптические инструменты и заготовки для проведения измерений.

Как показали измерения, добротность микрорезонатора, помещенного в обезвоженную азотную атмосферу деградирует гораздо медленнее. Снизились требования к мастерству выполнения скоростных измерений. Если ранее в случае неизолированного резонатора требовалось произвести все настройки на интервале времен до одной минуты то теперь это время возросло до одного часа. Характерное время снижения добротности резко возросло до величин, порядка суток.

Однако, наиболее надежной формой газовой изоляции микрорезонаторов является помещение его в область не с малоактивным, а с абсолютно химически нейтральным газом (§3). Кроме использования газообразного азота, принципиально опасного в плане загрязнения кварцевой поверхности схема азотной изоляции имеет существенные конструктивные

недостатки. Основным является труднодоступность рабочей изолируемой области.

Поэтому во второй схеме газовой изоляции использовался принцип непрерывного обдува точек, подлежащих изоляции аргоном высокой чистоты.

Для снижения влияния поверхности и увеличения общего уровня измеряемых величин добротностей эксперименты проводились на длине волны инжекционного лазера 810 нанометров в резонаторах диаметром от 1 до 5 миллиметров, изготовленных с помощью специальной кольцевой газовой горелки.

Измерения показали, что время жизни оптической добротности с применением аргоновой изоляции выросло незначительно по сравнению с применением азотной. Однако применение минисфер со сравнительно большими размерами (3 миллиметра) и переход в инфракрасную область спектра позволило увеличить как начальную добротность до 10г0, так и добротность долгоживущую, измеренную на временах порядка недели 5 • 109. Так крупные кварцев ое среры сохраняли оптическую добротность на уровне 2,5 миллиарда да>_;е в лабораторной атмосфере с влажностью 25% в течение четырех дней.

Глава V. Метод погруженного резонатора для измерения малых оптических потерь в жидкостях вблизи поверхности раздела жидкость-твердое тело.

Описывается разработанный метод измерения малых оптических потерь в жидкостях с использованием погруженного в среду резонатора.

Оптическге методы исследований широко применяются для изучения процессов, протекающих на границе раздела диэлектриков и жидкостей. С помощью таких методов получают информацию о молекулярной структуре и фазовых переходах в приповерхностном слое.

Нередко встречаются ситуации, когда данные измерений мнимой части диэлектрической постоянной могут быть более информативны для понимания внутренней структуры .1 терме динамического поведения сорбированного вещегтва. В частност: , резу: ьтаты измерений потерь элек-

тромагнитного излучения в водных растворах неэлектролитов в микроволновом, дальнем инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах со всей определенностью указывают на наличие фазового перехода в растворе при превышении некоторой его пороговой концентрации.

В этом разделе продемонстрирован новый метод измерения оптических потерь в жидкости с помощью измерений добротности оптических мод шепчущей галереи микрорезонатора, изготовленного из плавленного кварца и погруженного в изучаемый раствор.

Высокая добротность и большая концентрация таких оптических мод электромагнитного поля делают микрорезонаторы удобным инструментом в изучении как свойств материала из которого они изготовлены так и свойств вещества, непосредственно прилегающего к их поверхности

Свежеприготовленные резонаторы погружались в специальную ячейку, содержащую исследуемый раствор. Добротность измерялась динамическим способом , который предусматривает непосредственное наблюдение резонансной кривой на экране осциллографа при линейной частотной модуляции измерительного генератора. В качестве измерительного генератора использовался гелий-неоновый лазер ЛГ-52-3, перестраиваемый в пределах допплеровской линии усиления газовой смеси на величину до 300 мегагерц пьезотрансляцией одного из зеркал. Измеренная ширина резонансной кривой пересчитывалась в величину оптических потерь в среде.

Измерены оптические потери в приповерхностном слое в чистых жидкостях: воде, этаноле и ацетоне, а также исследована зависимость зависимость величины оптических потерь от концентрации в водных бинарных растворах карбамида и этанола. Потери в приповерхностном слое оказались существенно выше, чем в объеме, что обусловлено химико-физическими процессами в растворе на поверхности плавленого кварца.

В ЗАКЛЮЧЕНИИ сформулированы основные выводы и результаты работы, выносимые на защиту и приводимые ниже.

Ч!

выводы

1. разработана методика изготовления оптических микро и мини-резонаторов с модам: : типа шепчуще: налзреи, позволившая достичь добротности мод, огр шичсьиых лишь фундаментальными потерями в диэлектрике. В частности на длине во лны 0,63 микрометра достигнута добротность (8,0 ± 0, • 10®

2. Наблюдена особенность оптических ыикрорезонаторов: деградация добротности в об !чных лабораторных условиях, обусловленная абсорбцией воды. Уменьшение добротности на 70% от исходной за время порядка 100 секунд.

3. Показано, что высокая добротность на уровне 6 • 109 может сохраняться в течение длительного времени в сухой атмосфере.

4. Показано, что микрорезонаторы позволяют с высокой точностью измерять малые оптические потери в жидкостях вблизи границы раздела жидкость - тверд тело.

5. С помощью разработанного метода погруженного резонатора был наблюден эффект порогового изменения оптических потерь в бинарном растворе которой был обусловлен фазовым структурным переходом при изменении концентрации компонент.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. M.L.Gorodetsky, A.A.Savchenkov, V.S.Ilchenko, "On the ultimate Q of optical microsphere resonators, Proc. of SPIE vol. 2799, p.389-391,1995.

2. M.L.Gorodetsky, A.A.Savchenkov, V.S.Ilchenko, "Ultimate Q of optical microsphere resonators", Opt. Lett., v.21, p.453-455, 1996.

3. M.L.Gorodetsky, A.A.Savchenkov, V.S.Ilchenko, "Opticalmicrosphere resonators: optimal coupling and the ultimate Q", Proc. of SPIE, v.3267, p.251-262, 1988.

4. Алырзаев Э.Н. Савченков A.A. конференция Ломоносов-2000 март 2000г. "Прецизионные измерения малых оптических потерь в растворах"

5. Савченков А.А. конференция Ломоносов-2000 март 2000г. "Высокодобротные оптические минирезонаторы"

1 Открытые оптические диэлектрические резонаторы и влияние сорбционных процессов на их оптические свойства, (литературный обзор)

1.1 Диэлектрические резонаторы с азимутальными модами. Краткая классификация.

1.2 Поверхностные потери. Спектроскопические характеристики гидролизуемых межатомных связей поверхности кварцевого стекла.

1.3 Сорбционные процессы в тонких пленках на поверхности твердого тела

2 Доминирующие оптические потери в сферических диэлектрических резонаторах на азимутальных модах, (теоретический анализ)

2.1 Составляющие добротности оптических микрорезонаторов на модах шепчущей галереи.

2.2 Структура мод, собственные частоты, излучатель-ная добротность, потери в объеме и на поверхностных включениях.

2.2.1 Структура мод и собственные частоты.

2.2.2 Внутренние потери.

2.2.3 Рассеяние на поверхностных неоднородностях

2.2.4 Влияние внешней среды на оптические потери

3 Изготовление сферических мини и микрорезонаторов различного размера.

3.1 Изготовление с помощью СО2 лазера ИК диапазона.

3.2 Изготовление в пламени водородно - кислородной горелки.

3.3 Обработка кварцевых заготовок особой формы в пламени кольцевой горелки.

3.4 Обработка кварцевых заготовок особой формы в высокотемпературной части высокочастотного разряда емкостного типа.

4 Деградация и сохранение оптической добротности азимутальных мод сферических микрорезонаторов в различных условиях

4.1 Методы измерения оптической добротности.

4.2 Деградация оптической добротности микрорезонатора в лабораторной атмосфере.

4.2.1 Процесс измерений. Обсуждение особенностей эксперимента.

4.2.2 Результаты. Анализ временной зависимости кривой резонансных частот ОДМР и кривой добротности.

4.3 Резкое увеличение времени жизни оптической добротности в атмосфере чистых газов.

4.3.1 Газовая изоляция рабочей области.

4.3.2 Результаты, обсуждение резкого увеличения времени жизни добротности в азоте.

4.3.3 Переход в более длинноволновую область, к сферам большего диаметра для снижения влияния поверхности и к аргоновой газовой изоляции резонаторов.

5 Метод погруженного резонатора для измерения малых оптических потерь в жидкостях вблизи поверхности раздела жидкость-твердое тело.

5.1 Измерения

5.2 Результаты измерений.

6 Защищаемые положения.

За годы, прошедшие после первых демонстраций резонансных эффектов в открытых колебательных системах на основе диэлектриков высокой оптической прозрачности, оптические диэлектрические резонаторы мод шепчущей галереи превратились из объекта узкоспециальных исследований в перспективные элементы интегральной оптики.

Такие резонаторы, были впервые предложены проф. В.Б.Брагинским [1]. В работе [2] впервые была продемонстрирована высокая добротность ~ 108 резонаторов малого размера, ~ 100 мкм. Это обеспечило возможность наблюдения в таких системах нелинейных эффектов и перспективность их применения в различных областях физики . Резонаторы представляли собой микросферы из плавленого кварца, или другого оптически прозрачного диэлектрика, формируемые в пламени микрогорелки или в луче ИК лазера под действием сил поверхностного натяжения.

Впервые на возможность применения эффекта полного внутреннего отражения для создания высокодобротных резонаторов указал Рихтмайер в 1939 году [3]. Им был приведен расчет распределения электромагнитных полей внутри и снаружи сферического и тороидального резонаторов.

Применение резонаторов такого типа в технике дает возможность получить ряд высокоэффективных устройств [4, 5]. В отличие от открытых резонаторов, образованных параллельными почти плоскими зеркалами, используемых в лазерах, сферические резонаторы с азимутальными модами типа шепчущая галерея представляют интерес для изготовления миниатюрных устройств оптического диапазона [6]. Сферические микрорезонаторы могут использоваться как интерферометры и фильтры с уникально высокой резкостью [6], для квантово-невозмущающих измерений [2, 7, 8] и стабилизации полупроводниковых лазеров [4], как высокочувствительные датчики смещения [5], для создания стабильных СВЧ генераторов на разности оптических частот.

Применение таких современных материалов как сверхчистые кварцевые стекла, плазменной и высокотемпературной технологии изготовления и полировки, а также эффективных способов изоляции микросфер от внешних воздействий, вызывающих деградацию их ключевых параметров, позволило показать, что такие резонаторы могут сохранять уникально высокие значения добротности, резкости и диапазона перестройки резонансных частот.

Ранее оптические диэлектрические микрорезонаторы (ОДМР) рассматривали главным образом с точки зрения возможности их широкого применения в перспективе, оставляя в стороне вопросы практической реализации их потенциально высоких характеристик.

Предлагаемая работа содержит описание способов изготовления ОДМР, обладающих малыми оптическими потерями, исследование механизмов деградации добротности таких микросфер и способов ее сохранения в течении длительного времени.