Резонансные динамические решетки в атомарных газах, формируемые излучением маломощных полупроводниковых лазеров тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР 'ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ИМЕНИ С.И.ВАВИЛОВА"

РГ6 од - 1 ЯНВ 1996

На правах рукописи

НАЗАРОВ Владимир Николаевич

РЕЗОНАНСНЫЕ ДИНАМИЧЕСКИЕ РЕШЕТКИ В АТОМАРНЫХ ГАЗАХ, ФОРМИРУЕМЫЕ ИЗЛУЧЕНИЕМ МАЛОМОЩНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ЛАЗЕРОВ

01.04.05 - оптика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 1995

Работа выполнена в Научно-исследовательском институте физической оптики и оптики лазеров, информационных оптических систем ВНЦ "ГОИ им. С.И.ВаЕИЛОЕа"

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук,

старший научный сотрудник А.Е.Королев

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Н.М.Кожевников

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Т.А.Вартанян

Ведущая организация: Институт физики АН Белоруссии

Защита диссертации состоится "_"_1996 г. в _ час.

на заседании специализированного совета К 105.01.01 ВНЦ "Государственный оптический институт им. С.И.Вавилова" (199034, Санкт-Петербург, ВНЦ ГОИ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВНЦ "ГОИ им. С.И.Вавилова".

Автореферат разослан "_"_1995 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат физико-математических наук

И.Н.Абрамова

© Всероссийский научный центр "Государственный оптический институт имени С.М.Вавилова", 1995.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы. Закономерности формирования сЕвтоиндуциро-ванных динамических решеток (ДР) в нелинейных средах и метода преобразования лазерных пучков при их дифракции на таких решетках и четырехволновом смешении (ЧВС) являются предметом многочисленных исследований. Интерес к этим исследованиям обусловлен широким кругом применений ДР и ЧВС, базирующихся на основных принципах голографии и нелинейной оптики. Среди них следует отметить возможность обращения волнового фронта и коррекции динамических фазовых искажений лазерных пучков, управления характеристиками световых полей, оптическую обработку информации в реальном времени, построение оптических генераторов на ДР.

Механизм нелинейности, основанный на насыщении резонансного поглощения атомарных газовых сред, в частности, паров щелочных металлов, выделяется среди других механизмов оптической нелинейности благодаря уникальному сочетанию еысокой чувствительности атомарных газов к записи ДР и малого времени их реакции на световое воздействие. Со времени появления первых работ по ЧВС и резонансной динамической голографии в парах металлов были подробно изучены закономерности записи ДР населенностей уровней атомов в газах, моделируемых системами двухуровневых резонансных частиц с однородно уширенной линией поглощения, развита теория дифракционной эффективности (ДЭ) и определены предельные параметры ДР. Активно исследовались характеристики ДР и ЧВС е средах с допплеровским контуром линии поглощения и в многоуровневых системах, была показана эффективность применения ЧВС для решения задач бездопплеровской спектроскопии и узкополосной оптической фильтрации. Подавляющее большинство экспериментальных результатов при этом было получено с использованием паров Ыа как нелинейной среды и лазеров на красителях как источников когерентного излучения.

Несмотря на значительные успехи в исследованиях свойств резонансных ДР и ЧВС в газовых средах, до последнего времени оставался неизученным ряд вопросов, важных с точки зрения развития представлений о закономерностях эффективной записи в атомарных газах резонансных ДР с заданными характеристиками и расширения области практических применений таких решеток, постановка которых приобрела особую актуальность в связи с перспективами использования в методах резонансной динамической голографии маломощных полупроводниковых

лазеров (ПЛ) ближнего Ж-диапазона спектра.

Отсутствовал анализ влияния перераспределения населенностей по подуровням основного состояния атомов при оптической накачке на свойства резонансных ДР при их записи в среде атомоЕ с большим сверхтонким расщеплением уровней, что характерно, в частности, для атомоЕ Сэ и Ив с сильными линиями поглощения в ближнем ИК-диапазо-не. Не были изучены условия эффективной записи ДР и параметры амплитудно - фазовых резонансных решеток в газовых средах со смешанным контуром линии поглощения. Оставались практически не исследованными закономерности формирования ДР при нелинейном отражении резонансного излучения от границы атомарного газа и свойства таких решеток, определяемые особенностями механизма нелинейности. Наконец, не обсуждались возможности и отсутствовали экспериментальные данные, касающиеся использования резонансных решеток в атомарных газах для управления генерацией ПЛ. Следует указать, что на момент постановки настоящей работы запись ДР в парах металлов пучками излучения ШГ не была реализована, пары Сз как нелинейная среда для регистрации резонансных ДР не использовались, а отдельные эксперименты по ЧВС в парах |?в были выполнены с невысоким спектральным разрешением.

Цель работы заключается в установлении закономерностей формирования резонансных ДР низкоинтенсивными световыми пучками в газовой среде атомов при оптической накачке подуровней основного состояния, в средах со смешанным контуром линии поглощения и вблизи границы раздела прозрачный диэлектрик - атомарный газ, изучении и демонстрации возможности управления характеристиками генерируемого ПЛ излучения на основе оптической связи излучателя с резонансной ДР, развитии экспериментальных методов и определении условий эффективной записи ДР в парах щелочных металлов излучением маломощных ПЛ.

Научная новизна. В диссертационной работе впервые:

- Обнаружено значительное увеличение ДЭ резонансных ДР в области малых пространственных частот записи при оптической накачке подуровней основного состояния атомов и развиты методы расчета амплитуд формируемых низкоинтенсивным излучением решеток населенностей е газе трехуровневых атомов с учетом оптической накачки подуровней и теплового движения частиц среды.

- Развит метод расчета ДЭ решеток, формируемых низкоинтенсиЕны-ми световыми пучками в атомарной газовой среде конечной оптической толщины при произвольных значениях отстройки частоты излучения от

центра линии поглощения (в резонансном приближении) и отношения однородной ширины ее контура к допплеровской, определен относительный вклад амплитудной и фазовой составляющих ДР в ДЭ. Показана возможность перестройки спектральной области высокой чувствительности среды в пределах центральной части и на крыльях допплеровской линии поглощения при записи ДР излучением маломощных лазеров.

- Исследованы свойства резонансных отражзтельных ДР, регистрируемых вблизи границы раздела прозрачный диэлектрик - оптически плотный атомарный газ, выявлены характерные особенности формирования и релаксации ДР населенностей уровней атомов в тонком приграничном слов среды.

- Предложено использовать резонансные ДР в атомарных газах в качестве элемента оптической обратной связи во внешнем резонаторе ПЛ для управления его генерационными характеристиками. Показана возможность и определены условия достижения устойчивой привязки линии генерации ПЛ в таком резонаторе к сильным линиям поглощения атомов.

- Экспериментально исследованы основные параметры резонансных ДР, формируемых пучками излучения маломощных ШГ в парах Сз и Ив в пределах Д2-линий поглощения атомов. Определены условия эффективной регистрации решеток для различных типов уширения линий поглощения и схем взаимодействия пучков.

Практическая значимость результатов работы.

Результаты проведенных в диссертационной работе исследований, развитые методы регистрации и оценки параметров резонансных ДР в атомарных газах могут быть применены при разработке динамических, голографических элементов с заданными пространственно - частотными и спектральными свойствами, в частности, для оптической обработки информации и преобразования световых пучков в реальном времени с использованием маломощных ПЛ ближнего ИК-диапазона. В работе предложен метод управления генерационными характеристиками ПЛ и оптической привязки его линии генерации к атомным линиям поглощения, использующий дифракции лазерных пучков на резонансной ДР, и продемонстрирована возможность его практической реализации.

На защиту выносятся следующие научные положения:

I. Перераспределение населенностей по подуровням основного состояния атомов при оптической накачке стационарными низкоинтенсивными световыми пучками, записывающими ДР в газовой среде трехуров-

невых резонансных частиц с однородным ушрением сверхтонких компонент линии поглощения, может приводить к увеличению ДЭ крупномасштабных ДР на I - 2 порядка относительно максимальной ДЭ решеток, формируемых в среде двухуровневых атомов, при одинаковых величинах интенсивности излучения и уширения линии. Увеличение ДЭ является следствием накопления амплитуд решеток и достигается при компенсации перекачивания атомов на нерезонансный подуровень за счет повышения их начальной концентрации.

2. ДЭ резонансных ДР, регистрируемых в газовой среде трехуровневых атомов в условиях оптической накачки подуровней основного состояния, существенно зависит от периода решеток в области малых пространственных частот записи, где ДЭ ДР в среде двухуровневых атомов практически постоянна. Рост ДЭ с увеличением периода решеток в указанной области определяется снижением относительной роли их стирания вследствие теплового движения атомов.

3. Близкая к предельной чувствительность газовой среды двухуровневых атомов при записи - считывании резонансных ДР попутными низкоинтенсивными вырожденными по частоте световыми пучками и типичных для газов низкого давления отношениях однородной к доппле-роЕской ширине контура резонансных линий поглощения реализуется до отстроек от центра линии в три - четыре раза превосходящих доппле-ровскую полуширину при сохранении преимущественно амплитудного характера решеток.

4. Пространственное разрешение газовой среды в случае регистрации резонансных отражательных ДР вблизи границы раздела прозрачный диэлектрик - оптически плотный атомарный газ может на порядок превышать разрешение среды при записи решеток в ее объеме, что обусловлено быстрой релаксацией ДР населенностей уровней атомов в тонком приграничном слое среды, связанной с малостью пролетного времени взаимодействия резонансных частиц с излучением.

5. Резонансные ДР в атомарных газах могут быть использованы в качестве спектрально - селективного элемента оптической обратной связи ео внешнем резонаторе ПЛ для управления его генерационными характеристиками. Введение во внешний резонатор ПЛ элемента обратной связи на основе резонансной ДР приводит к образованию мод внешнего резонатора, сужению их спектральной ширины по сравнению с модами собственного резонатора лазера и привязке в определенных условиях линии генерации ШГ к сильным линиям поглощения атомов.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на II и III Всесоюзных конференциях "Теоретическая и прикладная оптика" (Ленинград, I98G, 1988), II Всесоюзной конференции "ОВФ-89" (Минск,

1989), I Международной конференции "Holographies 1990" (Нюрнберг,

1990), У1 Всесоюзной конференции по голографии (Витебск, 1990), Х1У Международной конференции "КиН0'91" (Ленинград, 1991), Общемосковских семинарах по диодной лазерной спектроскопии (Москва, 1990, Минск, 1991), Международной конференции по нетрадиционным и лазерным технологиям "ALT'92" (Москеэ, 1992), Международной конференции "Оптика лазероЕ'93" (С.-Петербург, 1993), Международной конференции по оптической обработке информации (С.-Петербург,1993) и изложены в 20 печатных работах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глэе, заключения и списка цитируемой литературы. Диссертация изложена на 148 страницах, включая 30 рисункоЕ и список литературы из 239 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении приведен обзор осноеных работ, посвященных изучению закономерностей записи резонансных ДР и ЧВС в газовых средах, обосновывается актуальность темы работы, сформулирована цель исследования, указаны научная новизна и практическая значимость полученных результатов, Еыносимые на защиту научные положения.

В первой главе рассмотрены особенности формирования резонансных ДР в атомарных газах в условиях оптической накачки сверхтонких подуровней основного состояния атомоЕ.

В §1.1 описана экспериментальная установка, в которой в качестве источников излучения для записи ДР в парах щелочных металлов применяются маломощные ПЛ. Основные исследования проводились с использованием инжекционных одночастотных непрерывных GaAs лазеров, генерировавших при температуре ~ 80 К излучение вблизи Д,-линии поглощения Cs (х=8521 8, мощность генерации до 80 мВт, типичная ширина моды генерации 30 - 40 МГц), и GaAlAs лазеров, генерировавших при комнатной температуре излучение вблизи Д^-линии Rb (х=7800 2, мощность ~ 30 мВт, ширина ~ 30 МГц). ДР в парах записывались двумя близкими по интенсивности поляризованными в одной плоскости колли-мированными лазерными пучками. При плэеной перестройке частоты ге-

нерации лазеров через резонанс со сверхтонкими компонентами Д9-ли-ний с помощью фотоприемникоЕ регистрировались спектральные зависимости сигналов интенсивности первого небрегговского пучка дифракции (самодифракции) излучения на тонкой ДР, а при считывании решетки встречным пучком излучения того же лазера - бреггоЕского пучка. Одновременно регистрировалась спектральная зависимость поглощения паров или люминесценции (в дополнительной опорной кюЕете).

В §1.2 представлены результаты экспериментального исследования осноеных параметров резонансных ДР, формируемых в парах Сз в условиях оптической накачки подуровней основного состояния. В экспериментах использовались кюветы длиной 30 и 2 мм, содержавшие пары Сй и буферный газ Не (20 Тор). Добавление Не увеличивало однородную ширину сверхтонких компонент Д0-линии до величины - 500 МГц, превышавшей допплеровскую ширину и расщепление, обусловленное структурой возбужденного состояния Си. ДР в парах регистрировались в

диапазоне концентраций цезия Ю11 - 4*10 см . При самодифракции лазерных пучков с увеличением мСн ДЭ сперЕа возрастала для обеих сверхтонких компонент Д,,-линии (расщепление основного состояния Са 9 ГГц), ее максимальное значение наблюдалось в центрах компонент, затем достигала наибольшей величины и в спектрах дифракции возникали провалы. С дальнейшим увеличением МСз ДЭ в центрах и ее максимальные значения на крыльях компонент быстро уменьшались вследствие сильного увеличения поглощения в пределах контура линии. Было обнаружено, что ДЭ испытывает сильный рост с уменьшением угла схождения пучков е в области, где влияние угловой селективности ДР мало (в < 3 мрад при длине кюветы 30 мм, в < 10 мрад при 2 мм). При

в ~ I мрад и суммарной интенсивности пучков 1-15 мВт/см" макси-

_2

мальная величина ДЭ достигала V - 10 , что на два порядка превышает максимальную ДЭ ДР в среде двухуровневых атомов, вычисленную для условий эксперимента. На основе этих результатов и других экспериментальных данных сделан еывод о существенном влиянии оптической накачки на характеристики ДР и важности учета перераспределения населенностей по подуровням при анализе свойств решеток.

В §1.3 рассмотрено формирование резонансных ДР в оптически тонком слое газоЕой среды при их записи низкоинтенсивными стационарными световыми пучками в условиях оптической накачки. Из балансных уравнений для населенностей уровней трехуровневых атомов с расщеплением основного состояния и однородным уширением компонент поглощения получено уравнение для населенности резонансно ьзаимодейст-

вуицего с излучением подуровня. При диффузионном характере движения атомов методом разложения населенности по пространственным гармоникам записывающего поля найдена система рекуррентных соотношений, позволяющая рассчитать амплитуды гармоник ДР. В частности, для амплитуды первой гармоники получено выражение в виде бесконечной непрерывной дроби:

А,

г ы0

Фо

1 -

ь„ -

ь2 -

; ь, =

2- (1 + + б о )

Фо

й = 4я БТ/Л

(1 )

где N0 - начальная населенность подуровня, Ф0 = оТГ0/2, <у - сечение поглощения атомов, Т - время релаксации разности населенностей подуровней основного состояния, Г0 - средняя суммарная плотность потока фотонов записывающего поля с пространственным периодом л, В -коэффициент диффузии резонансных этомое.

В §1.4 проанализированы полученные выражения для амплитуд нулевой А0 и первой пространственных гармоник ДР. На основе численных расчетов показано, что амплитуда первой гармоники крупномасштабных ДР в среде трехуровневых атомов может превышать на порядок (ДЭ - на два порядка) аналогичную величину для решеток в среде двухуровневых атомов при одинаковых условиях эксперимента и параметрах уширения линии, такое превышение достигается при компенсации перекачивания атомов на нерезонансный подуровень за счет увеличения концентрации резонансных частиц, а величина А1 для трехуровневой среды сильно зависит от периода ДР в области малых углов в, где амплитуда первой гармоники в среде двухуровневых атомов практически постоянна. Эти эффекты объяснены накоплением А, в процессе оптической накачки и снижением относительной роли стирания ДР при тепловом движении атомов с ростом ее периода. Установлено согласие расчетных и экспериментальных значений степени увеличения ДЭ при малых углах схождения пучков, вместе с тем, отмечено отличие в виде функциональной зависимости »>(£?), что связывается с нестрогим выполнением условий применимости диффузионной модели при увеличении угла в.

В §1.5 развит метод расчета амплитуд гармоник ДР населенности резонансно взаимодействующего с излучением подуровня для модели свободного пролета атомов в пределах периода решетки. Из соответст-

вующей системы рекуррентных соотношений получены решения для амплитуд нулевой и первой гармоник ДР при условии малости амплитуд высших гармоник (для больших пространственных частот записи), которые затем усреднены, по тепловым скоростям движения частиц (компоненты поглощения полагаются однородно уширенными). Сопоставлена асимптотическая зависимость А1 от параметра й' - по т/л » Ф0 ( Т> - средняя тепловая скорость движения атомов), определяющего стирание решетки, с аналогичной зависимостью д4 от с! для модели диффузионного движения (1) и обоснована возможность использования (1) для расчета д4 в модели свободного пролета частиц при произвольных пространственных частотах записи с формальной заменой с1 на сГ. Показано хорошее согласие результатов расчета степени увеличения ДЭ при такой замене с экспериментальными данными я(е) (§1.2) как по абсолютным значениям, так и по виду функциональной зависимости.,

Во второй главе представлены результаты исследования ' условий эффективной записи и параметров резонансных ДР, формируемых низкоинтенсивными узкополосными световыми пучками в атомарных гззоеых средах со смешанным (Фойгтоеским) контуром линии поглощения.

В §2.1 исследованы спектральные и энергетические характеристики ДР, регистрируемых в парах Са в пределах центральной части и-на крыльях допплеровски уширенных компонент Д,-линии. Концентрация Сз в кювете с парами изменялась в диапазоне 3-Ю10 - 4»Ю14см_3, включающем область самоуширения линии. При самодифракции с увеличением кСз до ~ Ю^см-3 ДЭ возрастала, а ее спектральная зависимость повторяла форму компонент поглощения. Затем в спектре ДЭ возникали провалы и каждый сигнал дифракции разбивался на дае компоненты с отстройкой, соответствующей прозрачности слоя паров т ~ 0.3. С ростом ыСз отстройка увеличивалась, а при ыСз ^ 10 см"3 максимальная ДЭ слабо зависела от концентрации Сз уменьшаясь в 3 - 5 раз с повышением на 2 - 3 порядка. Было показано, что спектральная область перестройки максимума ДЭ при этом достигает ~ 20 ГГц (включая расщепления основного состояния Сй), т.е. существенно превосходит допплеровскую ширину компонент Д^-линии ( ~ 400 МГц). ДЭ квадратично зависела от интенсивности пучков, ее максимальная величина составляла и ~ 6-10 для I - 30 мВт/см . При встречном считывании ДР

эффективная дифракция наблюдалась только вблизи центров компонент

тп т? —ч

поглощения в диапазоне иСз 3*10 - 10 см . Спектральная ширина сигналов ДЭ составляла - 70 МГц.

В §2.2 анализируются ДЭ и условия оптимизации записи ДР в газовой среде двухуровневых атомов в допшюровском пределе. С использованием выражения для нелинейной восприимчивости газа атомов с распределением резонансных частот, обусловленным эффектом Допплера, рассчитаны изменения оптической плотности и фазового набега, возникающие в среде конечной оптической толщины под действием стационарной слабонасыщающей световой волны. В случае записи - считывания ДР попутными вырожденными по частоте пушат излучения для малых углов схождения записывающих пучков, когда стирание решетки при тепловом движении атомов несущественно, на основе формулы Когельника при и « I и о учетом малости вклада фазовой части решетки (в допплеров-ском пределе) получены выражения для ДЭ ДР и оптимальной отстройки частоты генерации лазера от центра контура линии. Сопоставлена оценка предельной чувствительности среда к записи ДР с экспериментальными данными, показано согласие расчетных и экспериментальных

ТО п

значений оптимальной отстройки до ~ I ГГц (до ыСз - 10 см ).

В §2.3 с использованием примененного в предыдущем параграфе метода расчета ДЭ ДР получено общее выражение для ДЭ амплитудно -фазовых решеток, регистрируемых низкоинтенсиЕными световыми пучками в атомарном газе при произвольных величинах отстройки частоты излучения от центра линии (в резонансном приближении) и соотношения однородной и допплеровской ширины смешанного (фойгтовского) контура:

1 I г А(х) В(х)

Г) =-- - +

16 1о 1 С(х) С(х)

(1 - г(X)) т(х)

(2)

где 10 - насыщающая интенсивность для однородной группы атомов, А(х), В(х), С(х) - интегральные функции, связанные с 1 - функцией плазмы и ее производной, х = (ш0 - ы)/1ш - отстройка частоты излучения " от центра линии к=2п/\, и - наиболее вероятная скорость атомов, т(х) - ненасыщенное пропускание слоя газа, отношение однородной к допплеровской ширине контура входит в А(х),В(х),С(х),т(х) в качестве параметра. Показано хорошее соответствие оптимальных отстроек по (2) (из условия тор1 = 1/3) с экспериментальными данными (§ 2.1) во всем исследованном диапазоне концентраций атомов Сз. На основе численного анализа (2) установлено, что при типичных для резонансных линий поглощения атомарных газовых сред низкого давления отношениях однородной к допплеровской ширине контура (0.01 - 0.003)

2

2

близкая к предельной чувствительность среды (по уровню спада ДЭ в 2 раза) реализуется при выборе ее оптимального пропускания до отстроек, в 3 - 4 раза превосходящих допплеровскую полуширину, при этом преимущественный вклад в ДЭ вносит амплитудная компонента ДР.

В §2.4 исследованы спектральные характеристики ДР, регистрируемых в парах на сверхтонких компонентах Д^-линии. В кювете с парами содержались одновременно две резонансные среда - естественная смесь изотопов 85'871?в, имеющих несовпадающую структуру уровней. В результате наблюдались четыре группы сигналов дифракции. При самодифракции с изменением Мр^, спектры ДЭ для каждой из компонент линии соответствовали аналогичным зависимостям для паров Сз. Максимальная величина ДЭ достигала п ~ Ю-3 при I - 15 мВт/см2 и заметно не изменялась с увеличением частоты циклов сканирования линии генерации ПЛ через резонанс до - 20 кГц, ограниченной техническими возможностями установки. При встречном считывании ДР одновременно регистрировался спектр нелинейного поглощения считывающего пучка в поле записывающих (разрешение ~ 80 МГц). На основе сопоставления спектров ДЭ и поглощения показано, что в близких к оптимальным условиях (т ~ 1/3 на частоте резонанса ДЭ) эффективная дифракция для длинноволновых компонент До-линий наблюдается только на частотах перехо-

рс 07

дов г=3 - Г'=4 ( (?в) и Г=2 - |-"'=3 (Ив), для которых оптическая накачка подуровней основного состояния запрещена правилами отбора по Г. Для коротковолновых компонент спектр ДЭ при любых концентрациях |?в имел сложный вид, что объяснено совместным вкладом резонан-сов на частотах разрешенных переходов и кросс-резонансов с учетом соотношения сил компонент линии.

В третьей главе изложены результаты исследования свойств резонансных отражательных ДР, формируемых пучками излучения Еблизи границы раздела прозрачный диэлектрик - атомарный газ.

В §3.1 описаны эксперименты, в которых резонансные приграничные отражательные решетки в парах Сэ формировались сфокусированными пучками излучения ПЛ, сводившимися под углом в - 4*10_2рад на внутренней поверхности входного окна кюветы (МСз ~ Ю15 - 1017см~3) и направлявшимися вблизи нормали к границе раздела. Регистрировались сигналы самодифракции записывающих пучков в отраженном от границы свете. Для интенсивности пучков I «• 1 Вт/см2 с увеличением мСз ДЭ

сначала росла, затем достигала максимального значения п - 2*Ю-4 тн -Т

при ыГя - 6« 10 см ив дальнейшем спадала. Спектральная ширина

TR -T

сигналов ДЭ при NCs ^ 4*10 см не превышала ширины сигнэлое люминесценции Cs в опорной кювете (находившейся при комнатной температуре), максимумы в спектрах ДЭ и люминесценции практически совпадали. Для NC3 > 6'1015см~3 спектр ДЭ уширялся и возникал сдвиг сигнала ДЭ на коротковолновой компоненте Д,-линии в коротковолновую область на величину, близкую к его полуширине. При увеличении в от 4«10~~ до 1.7'Ю_1рад и сопоставлении ДЭ для самодифракции и для считывания решетки дополнительным пучком с ортогональной поляризацией было показано, что пространственное разрешение паров Cs при записи отражательных ДР достигает - 200 мм-1 (по уровню спада ДЭ в 2 раза), и продемонстрировано отсутствие угловой селективности таких решеток. Аналогичные спектры ДЭ наблюдались при записи отражательных ДР с использованием кюветы с парами Cs и Не (20 Тор). Наблюдалось также насыщение роста ДЭ при увеличении I. Интенсив-

п

ность насыщения зависела от концентрации Cs и составляла - 5 Вт/см" для NCs - 1016см_3 и - 30 Вт/см2 для NCs - Ю17см~3.

В §3.2 анализируются максимальная величина ДЭ тонких резонансных отражательных ДР и особенности их формирования в приграничном слое атомов. На основе феноменологической модели образования пространственной модуляции комплексного коэффициента отражения излучения от границы получено, выражение для ДЭ резонансных отражательных ДР.

Показано, что при типичной для экспериментов по записи отражатель__Т С

ных ДР концентрации атомов - 10 см и падении пучков вблизи нормали к границе раздела максимальная ДЭ не превосходит значения - Ю-3. Отмечается возможность повышения ДЭ до нескольких процентов при записи ДР пучками, падающими на границу вблизи угла полного внутреннего отражения или в условиях металлического отражения резонансного излучения. Наблюдавшиеся в эксперименте уширение компонент ДЭ и коротковолновый сдвиг интерпретируются как результат ударного самоуширения и сдвига компонент Д^-линии Cs для высоких концентраций атомов. При обсуждении зависимости ДЭ отражательных ДР от угла схождения пучков в обращается внимание на малую глубину проникновения резонансного излучения в оптически плотную среду. Последнее приводит к малости пролетного времени взаимодействия атомов с излучением в тонком ( ~ х) приграничном слое, что обуславливает быструю релаксацию ДР населенностей уровней в результате вылета атомов из области взаимодействия или тушения возбуждения при столкновениях с ограничивающей поверхностью. Согласно оценке, характерное время такой релаксации примерно на порядок меньше радиационного времени

жизни Cs в возбужденном 6'°Р3/,9 состоянии. С использованием полученного в §1.5 выражения для амплитуды первой гармоники ДР (записанного в данном случае для среды двухуровневых атомов) показано, что учет теплового движения резонансных частиц в приграничной области и малости пролетного времени позволяет объяснить наблюдавшуюся в эксперименте слабую зависимость ДЭ отражательных решеток от угла схождения записывающих пучков. Отмечается соответствие расчетных значений насыщающих потоков для атомов в приграничном слое, полученных также с учетом малости пролетного времени и самоуширения линии поглощения, с наблюдавшимися насыщающими интенсивностями для ДЭ.

В четвертой главе рассмотрены возможности•применения резонансных ДР в атомарных газовых средах для управления генерационными характеристиками ПЛ.

В §4.1 описана схема внешнего резонатора ПЛ, в котором ДР в парах Cs использована в качестве спектрально - селективного элемента оптической обратной связи. Для эксперимента отбирался ПЛ, генерирующий на основной поперечной моде. Ширина линии генерации лазера с собственным резонатором, образованным непросветленными гранями полупроводникового кристалла, составляла - 150 МГц. Во внешнем линейном резонаторе ПЛ была образована петля обратной сеязи, в которой находилась кювета с парами Cs- В объеме кюветы формировалась тонкая ДР двумя лазерными пучками. Считывающий решетку пучок направлялся почти навстречу записывающим, а внешний резонатор лазера юстировался так, чтобы обеспечить его замыкание по сигналу небрегговской дифракции излучения на ДР и одновременно развязку по пучкам, не испытавшим дифракции. Для достижения эффективной оптической связи во Енешнем резонаторе, в соответствии с результатами гл. I, использовалась кювета с Cs и Не (20 Тор), а угол схождения записывающих пучков Еыбирался ~ I мрад. Максимальная ДЭ ДР достигала >v ~ 4- Ю^

о

при I ~ 20 мВт/см . Величина сигнала обратной связи, вводимого при этом в активную область лазера, составляла по оценке ~ 4-Ю-4.

В §4.2 приводятся результаты исследования генерационных характеристик ПЛ ео Енешнем резонаторе с ДР е парах Cs. С увеличением NC3 и возникновением заметной дифракции пучков на ДР (>? ~ 10 ) при настройке ПЛ в резонанс с какой-либо из компонент Д^-линии спектр его генерации приобретал структуру мод внешнего резонатора. По мере увеличения ДЭ количество мод возрастало и при максимальном значении >7 ~ 4*10 моды заполняли частотный интервал ~ 1.5 ГГц, соответст-

вующий спектральной области наблюдения эффективной дифракции излучения. Ширина мод не превышала *• 40 МГц (предел разрешения использованного для измерений интерферометра). При перестройке частоты генерации лазера через резонанс в этом случае на спектральных зависимостях люминесценции Сб в опорной кювете появлялись области привязки длины волны генерации ПЛ к компонентам поглощения, наблюдаемые в виде плоских участков на контуре линии люминесценции. Дальнейшее увеличение ысз приводило к исчезновению модоеой структуры внешнего резонатора в спектре генерации из-за быстрого уменьшения ДЭ и сигнала обратной связи. Отдельный эксперимент был проведен с лазером, настраивающимся на сверхтонкие компоненты Д,-линии в неустойчивом режиме. При настройке такого лазера в резонанс с одной из компонент поглощения в отсутствие обратной связи и постоянном токе инжекции наблюдались случайные переключения генерации на соседнюю моду собственного резонатора лазера, приводившие к исчезновению сигнала люминесценции Сй в опорной кюЕете (а - на рис.,

а. б.

ьишшш --

0.1с

I-1

стрелкой отмечен нулевой уровень, сигнала). Показано, что введение сигнала обратной сеязи в активную область лазера при оптимальной

то _о

концентрации атомов (максимальная ДЭ при ~ Ю см для длиннот? -3

волновой и ~ 2«10 см для коротковолновой компонент Д9-линии) обеспечивает устойчивую привязку линии генерации к соответствующей компоненте, при этом появляется стабильный сигнал люминесценции (б) и образуются моды внешнего резонатора в спектре генерации лазера.

В заключении сформулированы основные результаты работы:

1. Развиты экспериментальные методы регистрации резонансных ДР в атомарных парах Сз и изотопов 85' {?в в пределах До-линий поглощения пучками излучения маломощных непрерывных ПЛ, определены условия эффективной записи и основные характеристики ^решеток в парах в широком диапазоне концентраций атомов (Ю10 - Ю^см-3).

2. На примере паров Сз с однородно уширенными сверхтонкими компонентами Д^-линии поглощения экспериментально показано, что максимальная ДЭ резонансных ДР, формируемых низкоинтенсивными пучками

излучения в гэзоеой среде в условиях оптической накачки подуровней основного состояния атомов, превышает на I - 2 порядка максимальную ДЭ при записи ДР в среде двухуровневых атомов для одинаковых величин интенсивности излучения и уширения линий поглощения, при этом пространственно - частотная характеристика среды имеет сильный подъем в области малых ( < 10 мм-1) пространственных частот записи.

3. В рамках кинетических уравнений для населенностей уровней атомов с расщеплением основного состояния и однородным контуром компонент поглощения получены выражения для амплитуд пространственных гармоник ДР, формируемых в газовой среде стационарными низкоинтенсивными световыми пучками в условиях оптической накачки подуровней. Установлено, что увеличение ДЭ ДР с малой пространственной частотой относительно максимальной ДЭ решеток для двухуровневых резонансных частиц достигается при повышении концентрации атомов, компенсирующем их перекачивание на нерезонансный подуровень, и связано с накоплением амплитуды ДР, а особенности пространственно -частотной характеристики среды определяются совместным действием оптической накачки и стирания ДР при тепловом движении атомов.

4. На примере паров Сй с допплероЕски уширенными сверхтонкими компонентами Д,-линии поглощения экспериментально показано, что при записи - считывании резонансных "ДР низкоинтенсивными световыми пучками в попутной геометрии взаимодействия спектральная область максимальной чувствительности атомарного газа может перестраиваться в окрестностях линии поглощения в широких пределах (до ~ 20 ГГц с учетом расщепления Д^-линии Сз), а положение резонансов в спектре ДЭ задается условием оптимизации пропускания для допплероЕского (е центральной части линии) и фойгтовского (на ее крыльях) контуров.

5. Развит метод расчета ДЭ амплитудно - фазовых резонансных ДР, формируемых стационарными низкоинтенсивными пучками излучения в атомарной газовой среде конечной оптической толщины со смешанным контуром линии поглощения. Установлено, что при типичных для газов низкого давления отношениях однородной к допплеровской ширине контура резонансных линий максимальная чувствительность среды в окрестностях линии поглощения близка к предельной в спектральном диапазоне, превышающем допплеровскую ширину в три - четыре раза, при этом основной Еклад в ДЭ вносит амплитудная компонента ДР.

6. Экспериментально изучена структура спектральных зависимостей ДЭ при встречном считывании ДР в парах Сз и смеси изотопов Ив с допплеровски уширенными компонентами Д^,-линий поглощения. Показано,

в частности, что при близких к оптимальным по концентрации условиях эффективная дифракция для длинноволновых компонент Дп-линий Rb

~ ос

достигается только на частотах атомных переходов F=3 - Г'=4 ( Rb) Я7

и F^2 - F'-=3 ( Rb)- Для коротковолновых компонент спектр ДЭ имеет сложный еид, обусловленный совместным вкладом резонансоЕ на частотах разрешенных атомных переходов и кросс-резонансов.

7. На примере паров Cs экспериментально показано, что пространственное разрешение гззоеой среды при записи резонансным излучением отражательных ДР вблизи границы раздела прозрачный диэлектрик -оптически плотный атомарный газ достигает ~ 200 мм-*, продемонстрировано отсутствие углоеой селективности таких решеток. Оценены максимальные величины ДЭ резонансных отражательных ДР и условия их достижения. Показано, что при анализе пространственно - частотных свойств оптически плотного атомарного газа в случае регистрации отражательных ДР вблизи границы раздела необходимо учитывать малость пролетного времени взаимодействия резонансных частиц с излучением в тонком приграничном слое среды.

8. Предложен метод управления генерационными характеристиками Ш1, осноеэнный на использовании ДР в атомарных газах в качестве спектрально - селективного элемента оптической обратной связи ео внешнем резонаторе лазера. На примере ДР в парах Ся экспериментально показано, что при введении в таком резонаторе оптической обратной связи по пучкам дифракции излучения на ДР наблюдается образование мод внешнего резонатора в спектре генерации ПЛ, заметное сужение их спектральной ширины по сравнению с модами собственного резонатора, продемонстрирована возможность и определены условия достижения устойчивой привязки линии генерации ПЛ к сверхтонким компонентам Д^-линии поглощения.

Перечисленные результаты работы отражают личный вклад автора.

Основные результаты исследований опубликованы в работах:

1. Королев А.Е., Назаров В.Н., Стаселько Д.И., Малахова В.И., Палей С.Л., Якубович С.Д. Запись резонансных динамических голограмм е парах цезия излучением одночастотного перестраиваемого полупроводникового лазера.- Опт. и спектр., 1986, т.61, в.5, с.919-921.

2. Лебедько В.Е., Назаров В.Н. О чувствительности атомных паров с допплеровски уширенными линиями поглощения к записи резонансных динамических голограмм.- Тез. докл. III Всесоюзн. конф. молодых ученых и специалистов "Теоретическая и прикладная оптика", Л.: И?.д.

ГОМ, 1938, с.18-19.

3. Королев А.Е., Назаров В.Н., Стаселько Д.И. Запись и считывание динамических голограмм вблизи границы раздела диэлектрик -пары металла.- Письма в ЖТФ. 1989, т.15, № 20, с.87-92.

4. Королев А.Е., Назаров В.Н., Стаселько Д.И., Кочеров Д.А., Малахов') В.И. Эффективная запись динамических голограмм на неоднородно уширенной линии цезия с использованием полупроводникового лазера.- Опт. и спектр., 1990, т.68, в.4, с.882-888.

5. Королев А.Е., Лебедев Е.А., Назаров В.Н., Стаселько Д.И. Резонансная динамическая голография с использованном полупроводниковых лазеров.- Сб. "Метода оптической обработки информации", Л.: ФТИ, 1990, C.2II-2I7.

S7 """Королев——Лебедев Назаров В.Н. Спектральные

характеристики внутридопплеровских динамических голограмм~"в~парах— рубидия.- Опт. и спектр., 1991, т.71, в.З, с.518-521.

7. Korolev А.Е., Nazarov V.N. Spectral properties of the гезо-nant dynamic gratings, produced by radiation of semiconductor lasers in metallic vapor.- Proc. SPII "Tunable diode laser applications", 1992, v.1724, p.312-319.

8. Korolev A.I., Nazarov V.N., Staseiko D.I. Degenerate four-wave mixing by nonlinear resonant reflection from cesium vapor boundary.- Proc. SPII "Transverse patterns in nonlinear optics",

1992, v.1840, p.53-62.

9. Korolev A.I., Nazarov V.N. Resonant dynamic gratings - optical feedback element in external cavity of semiconductor laser.-Book of summaries "1992 Int. Conf. on Advanced and Laser Technologies ALT'92", Moscow, 1992, Part 2, p.107-103.

10. Королев A.E., Назаров В.Н. Оптическая обратная связь во внешнем резонаторе полупроводникового лазера по сигналу резонансного четырехволнового смешения в парах цезия.- Опт. и спектр.,

1993, т.74, в.1, с.195-201.

11. Назаров В.Н. Особенности формирования динамических решеток в парах металлов при оптической накачке сверхтонких подуровней атомов,- Опт. и спектр., 1994, т.77, в.1, с.102-108.

Подписано к печати 22.11.95. Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 0.93. Уч.-изд. л. 1.04. Тираж 100 экз. Отпечатано на ксероксе ВНЦ ГОИ. Бесплатно.