Теоретическое исследование долгоживущего фотонного эха и сопровождающих его процессов в ван-флековских парамагнетиках тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

Р Г Б ОЙСАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ 1 6 ЯИВ 1995 имени В.И.УЛЬЯНОВА-ЛЕНИНА

На правах рукописи

КАРАМЫШЕВ Сергей Борисович

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДОЛГОЖИВУЩЕГО ФОТОННОГО ЭХА И СОПРОВОЖДАЮЩИХ ЕГО ПРОЦЕССОВ В ВАН-ФЛЕКОВСКИХ ПАРАМАГНЕТИКАХ

01.04.05 - оптика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

КАЗАНЬ - 1994

Работа выполнена в Казанском физико-техническом институте КНЦ РАИ.

Научный руководитель Официальные оппоненты :

Ведуцая организация

доктор физико-математических наук, профессор Самарцев В.В.

доктор физико-математических наук, профессор Нефедьев Л.А. доктор физико-математических наук Гайнутдинов Р.Х.

Московский педагогический государственный университет имени В.И.Ленина

Завита состоится ¿нёа^д 19957. в /3 часов на заседа-

нии диссертационного Ученого Совета К.053.29.06 по заиите диссертаций на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Казанского государственного университета имени В.И.Ульянова-Ленина ( 420008, Казань, ул.Ленина 18 ).

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке университета им. Н.И.Лобачевского.

Автореферат разослан "2^' г.

Ученый секретарь специализированного Совета

Б.П.Халепп

05ЛЛЛ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность тени. 3 нзстояшее время предпринимаются значительные усилия по создании оптических запоминавших устройств на основе допгоянвушего стимулированного фотонного эха ( ДСФЗ ) . Усилия в этой области заметно активизировались после обнаружения ряда кристаллов, у котооых при боомировании ДСФЭ временной интервал между записывающим и считывавшим импульсами мог достигать при температуре жидкого гелия нескольких часов. Как выяснилось, зсе "рекордные" в этом плане кристаллы откосятся к классу ван-'флековских парамагнетиков ( 8ФП ) с редкоземельными ионами (РЗИ) в качестве примесей. Поэтому представляет большой интерес исследование особенностей и оптимальных условий генерации различных оптических когерентных откликов в кристаллах ВФП (например, - сигналов ДСФЭ при их многократной считывании), ванных для решения пробланы локального стирания информации. Кроме этого, со спектроскопической точки зрения весьма актуальным является исследование релаксационных и межчастичных процессов, протекавших при возбуждении ДСФЭ в 8ФП . Здесь нужно отметить , что сигналы эха позволяет получать ин!ормацив о тех процессах межчастичного взаимодействия в твердых телах , которая маскируется при обычных исследованиях (методами линейной оптики) примесных кристаллов с большим неоднородным уширением. Если учесть так же и'то, что в обсуждаемых оптических эхо-экспериментах исследуется кристаллы ВФП с очень малой концентрацией примесных центров ( когда сигналы ядерного спинового зха имевт ничтожно налу» интенсивность ) , то становится понятным тот факт , почему •именно эти методы оптической эхо-спектроскопии используются для изучения различного рода взаимодействий между ядрами решетки и внедренных в нее РЗН. Лозгому получение новых дзнних по немяцернону взаимодействии в ВМ , процессах релаксации ( например , населенности ) на оптических переходах РЗН и особенностях генерации когерентных откликов в ВФП является актуальной и практически значимой задачей.

Цель» данной диссертации является теоретическое исследование оптимальных режимов записи , считавания и локального стирания сигналов ДСФЭ 8 монокристаллах ВФП в условиях их многоимпульсного оптического когерентного возбуждения, а также получение спектроскопической информации о процессах взаимодействия ядер РЗИ с ядрами решетки и о процессах релаксации населенности на оптических переходах РЗН, на которых возбуждаются сигналы ДСФЭ.

Научная новизна работы ;

1. Теоретическое исследование механизмов необратимой релаксации населенности подуровней основного состояния Рг3+ в кристалле 1аР3, помешенным в слабое магнитное поле ( продольное и поперечное ) и объяснение соответсвув-

щх экспериментов по изучению ДСФЭ .

2. Теоретическая разработка метода лазерного возбуждения -намагниченности в некоторых кристаллах 8ФП.

3. Теоретическое исследование режимов многоимпульсной записи и считывания сигналов ДСФЭ в S♦П и объяснение экспериментов по многократному считыванию сигналов ДСФЭ в кристалле LaFj :Рг3*.

4. Теоретическое исследование проблемы локального стирания пространственно-частотных " решеток " населенности, формируемых в ВФП при возбуждении в них сигналов ДСФЭ и разработка двух новых режимов локального стирания.

Практическая ценность

Полученные результаты имеют принципиальное прикладное значение при создании оптических запоминавших устройств на основе ДСФЭ, где в качестве носителей информации ( резонансной среды ) используется ван-флековские парамагнетики.

Достоверность полученных результатов обеспечена надежность» использованного математического формализма ( проверенного на тестовых задачах ) и достигнутым согласием с экспериментом.

На защиту выносятся следующие основные положения :

1. Результаты теоретического исследования особенностей формирования сигналов ДСФЭ в кристалле трифторида лантана с ионами празеодима 8 слабом магнитном поле и механизмов необратимой релаксации населенности подуровней основного состояния Pr3t в кристалле LaFj . Информация о временах этой релаксации.

2. Метод хоротхоимпульсного лазерного возбуждения в кристаллах ВФП поперечной , задержанной во времени, намагниченности .

3. Результаты теоретического исследования оптимальных режимов многоимпульсной записи и многократного считывания сигналов ДСФЗ в ВФП с учетом реальной структуры подуровней основного и возбужденного состояния , процессов оптического возбуждения и релаксации населенности в ансамбле РЗИ.

4. Методы локального стирания информации последовательностью только оптических импульсов ( с использованием как процессов возбуждения, так и процессов релаксации ) и последовательность» как оптических , так и радиочастотных импульсов ( с использованием только процессов возбуждения ).

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на II Международном симпозиуме " Физические принципы и методы оптической обработки информации " ( Гродно, 1993 ), на Workshop " Volga Laser Tour' 93 ( Дубна, 1993 ), на V чтениях по фотонному эху и квантовой оптике ( Йоикар-

•Зла, 1993 ) , на XXVII Амперовском конгрессе f Казань, 1994 ) и на меиуна-родной конференции " Optical memory & neural networks " ( Москва, 1994 ).

Публикации. Основные результата опубликована в семи работах, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения и списка цитируемой литературы . Объем работы 109 стр. , вклвчая 21 рисунок и 4 таблицы . Список цитируемой литературы состоит из 75 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации , формулируется цели и задачи исследования , указываются основные положения выносимые на защиту , кратко излагается содержание работы.

Первая глава содержит краткий обзор, в котором последовательно рассмотрена основные вопросы генерации оптических когерентных откликов двух, трех и квазидвухуровневой системами. Особое внимание уделяется применении метода функции от матриц при расчете различных сигналов зха, особенно , - в многоуровневых системах. В литературе этот вопрос излагается недостаточно подробно. 8 начале главы рассмотрено формирование первичного фотонного эха и стимулированного фотонного зха в двухуровневой системе. Во втором разделе первой главы на примере трехуровневой системы обсуждается физика формирования ДСФЗ. Третий раздел посвящен методу расчета сигналов ДСФЭ в многоуровневых системах. В конце главы рассматриваются кристаллы 8ФП, в которых в настоящее время обнаружены большие времена оптической фазовой памяти при формировании 1С«.

Вторая глава посвящена исследованию сигналов ДСФЗ при короткоимпульсном оптическом возбуждении ионов празеодима в кристалле трифторида лантана при температуре жидкого гелия . Зтот кристалп относится к кристаллам класса ВФП и он был первым, в котором было обнаружено явление ДСФЗ [Наг1шапп Э.!}^ а1. ОрЬ.Сои.-1979-У.29,N2 - Р.181-185 ] . В настоящее время трифторид лантана с празеодимом является наиболее исследованным (методами когерентной оптической спектроскопии) кристаллом из класса 8ФП. Но сигналы ДСФЭ, как правило, изучались в отсутствии внешнего магнитного лоля. Исключение составляет работа ГМI — егзиа 0.А.е1 а!.СЬея.РЬуэ.1е1.-1979-У.65,Н1 -Р.105-108 ] выполненная в очень сильном магнитном поле.

Напомним, что ДСФЗ является когерентным откликом резонансной среды ( в нашем случае ансамбля РЗИ в 8ФП ) на воздействие трех и более разнесенных во

гоеиени. лазерных импульсов, б отличии от стимулированного фотонного эха сигнал дСФЭ формируется не в двухуровневой, а в многоуровневой системе ( для РЗИ з ВФП мы имеем дело с 2Н-уровневой системой, для адекватного описания которой необходимо использовать матрицу плотности размеоностыо 2Мх2N, где N=21 - для РЗИ с полуцелым ядерным спином и N=21+1 - для РЗИ с целым ядерным спином, I -ядерный спин редкоземельного иона ) некоторые уровни которой являются метас-табияьными ( в случае кристаллов ВФП такими уровнями являются подуровни основного состояния ). Интервал времени между первыми двумя импульсами ограничен временем поперечной необратимой релаксации , в то время как ограничение на интервал времени между вторым и третьим импульсами менее жесткое : он не должен превышать времени жизни неравновесной населенности на сверхтонких подуровнях основного состояния ( которое , по-существу , и определяет время оптической памяти ) . Поэтому исследование ДСФЭ в магнитном поле позволяет получит ценную информацию о суперсверхтонких взаимодействиях между ядрами РЗИ и ядрами решетки. Среди неожиданных результатов экспериментального исследования сигналов ДСФЭ, формируемых ионами празеодима в кристалле трифторида лантана, явилось резкое увеличение их интенсивности в магнитном поле , в то время как величина сигналов первичного и стимулированного фотонного эха оставалась неизменной. Интенсивность сигнала ДСФЭ возрастала в диапазоне магнитных полей 30-100 Гс. Область резкого увеличения зависела от направления, магнитного поля (см., например работы [ 2,3,6, Saйartsev V.V.е! а1. иаэ.РЬуэ. -1993-У.3,И4-Р.921-923]). Объяснение этого эффекта требовало учета того факта, что в этом кристалле существует три группы ионов празеодима,'степени возбуждения которых зависят от ориентации кристаллических осей по отношения к плоскости поляризации электрического поля в лазерном импульсе . Кроме того , для точного учета вклада различных групп ионов празеодлима необходимо знание величины оптического дипольного момента перехода.

Первый раздел второй главы посвящен особенностям короткоимпульсного оптического возбуждения ансамбля РЗИ в кристаллах 8ФП . Зто связано с тем , что рассматриваемые редкоземельные ионы представляют собой многоуровневую систему , у которой возможны все оптические переходы со всех подуровней основного состояния на все подуровни возбужденного состояния . Ранее в таких системах вопросы генерации ДСФЭ рассматривались лишь в приближении малых импульсных площадей [Мйзипада М.РЬуз.Яеу.А-1990-У.42,МЗ-РЛ617-1629]. Рассмотрение этого вопроса при произвольных импульсных площадях требует либо суммирования всех членов ряда возникающего при расчете оператора эволяции система , либо нахождения собственных значений оператора-взаимодействия РЗИ с полем лазерного излучения. Зти задача была решена в первом разделе второй главы для случая произвольных импульсных площадей ( см. работу [71), когда во время

108--

б-4 2

Д С ф э ОТН. 6 д.

а +

10» 8-б-4-2

о +

о *

В, Гс

20 40 60 80 100 120

I

б

дс Ф э отн. ед.

+о +

+

о

+ 0

9 Г

В, Гс

20 40 60 80 100 120

Рис.1 Зависимость относительной интенсивности сигналов долгояивушего стимулированного фотонного эха от магнитного поля в кристалле трифторида лантана с ионами празеодима : а - магнитное поле направлено перпендикулярно оптической оси кристалла ; 6 - магнитное поле направлено вдоль оптической оси кристалла. Интервал времени между вторым и третьим импульсами равен 80 мс ( о - экспериментальные и + - теоретические значения ) и 800 мс ( * - экспериментальные значения ). Интервал между первыми двумя импульсами - 25 не.

о

действия лазерного импульса процессами релаксации можно пренебречь. Используя найденный оператор эволюции, были получены выражения, описывающие интесивности сигналов стимулированного фотонного эха и ДС*Э в кристаллах 8ФП с учетом реальных процессов релаксации , происходящих между подуровнями РЗИ.

Второй раздел этой главы посвяцен определение величина дипояьного момента оптического перехода JH1<-",P0 в кристалле LaF,:PrJ''. На рис.2 приведены экспериментальные и теоретические зависимости относительной интенсивности сигнала долголивуцего эха в зависимости от угла между векторами поляризации возбуждавших импульсов. Здесь нужно отметить , что теоретическая кривая на рис.2 получена при условии, что вектор поляризации первого импульса составлял с одной из С -осей кристалла угол не больше 10' . Она была рассчитана с помощью выражения для интенсивности сигнала долгоживуиего эха, полученного в первом разделе второй главы . Оценки показали , что при мощности первого и второго лазерных импульсов порядка 10 кВт , их длительности порядка 10 не , диаметре лазерного пятна в кристалле порядка 200 мкм, дипольный момент имеет значение порядка 5'10~Zi ед. СГС Г 3 J.

Третий раздел второй главы посвящен механизму влияния слабого магнитного поля на сигнал долгоживущего зха в трифториде лантана с ионами празеодима. Так как в магнитном поле возрастала интенсивность только долгожиеущего зха , можно говорить о том, что модуляционный эффект не может быть причиной резкого возрастания сигналов долгоживущего эха в магнитном поле. 8 то же время корреляционное время полей ядер F на ядре Рг порядка 20 - 80 мкс.[Hong N.C. et al. Phys.Rev.B-1983-V.28,N9-P.4993-5010) , один из интервалов в импульсной последовательности ( между первым и вторым импульсами) много меньше этого корреляционного времени, а другой интервал (между вторым и третьим) был много больше этого корреляционного времени . Поэтому 8 этом случае подавление процессов спектральной диффузии то *е не может объяснить роста интенсивности сигнала долгоживущего эха. В работе [Bai Y.S.,Kachru R. Phys.Rev.fi -1991-V.44.N11 -P. R6990-R6993] при исследовании процессов спектральной диффузии в кристалле YAlQj:Prît в формировании эха не учитывались оптические переходы, у которых в качестве одного из уровней использовались подуровни il/2" основного состояния ( из-за процессов кросс-релаксации между ядрами Рг и А1 ) . Таким образом , остается лишь механизм подавления процессов кросс-релаксации между ядрами Рг и F, причем в ранках этого механизма становится понятным постоянство сигналов первичного и стимулированного фотонного эха.

Исходя из модели подавления процессов кросс-релаксации между ядрами Рг и F ( когда указанные ядра с ростом величины магнитного поля выходят из резонанса ), нам удалось наити постоянные кросс-релаксации ядра Рг с участием как одного ядра F , так и трех ядер F ( соответственно, 106 с"1 и 103 с"1). На

I 1

1с 1 +

О, 0,6--0,4г. 0,2--

Д с Ф э

?

о +

о +

+

о

+

о

Ар

10

30 50 ТО 90 (градусы)

Рис.2 Зависимость относительной интенсивности сигнала долгоживущего Фотонного эха на переходе ^ Н^Рр в 1аГ3:Рг**от угла поворота между векторами поляризации первого и третьего импульсов ( поляризации первого и второго импульсов совпадали ) . Экспериментальные значения - о : теоретические - + (пло-шади первого и второго инпульсов одинаковы и равны 1 рад , площадь третьего импульса в два раза больше ).

рис. 1 а, 6 для случая, когда интервал времени между вторым и третьим импульсами составлял 80 не, построены теоретические зависимости интенсивности сигналов долгоживущего эха от величины приложенного магнитного поля [ 3 ] (время 80 мс было выбрано для того, чтобы не учитывать релаксацию между другими подуровнями основного состояния , так как это время порядка 2 с для 11 концентрации ядер Рг ).

Третья глава посвявена вопросам многоимпульсного оптического возбуждения ансамбля редкоземельных ионов в кристаллах вая-флековских парамагнетиков, что связано с оптимизацией режимов записи и считывания сигналов долгоживущего стимулированного фотонного эха в оптических запоминающих устройствах с целью улучшения энергетики этих устройств . Обнаружение кристаллов ВМ с уникально большим временем памяти ( пять и более часов ) в режиме ДСФЗ дало толчок разработкам конкретных запоминающих устройств, но сразу же было замечено , что слабым местом подобных устройств является их высокая энергетика . Поэтому встал вопрос об использовании в работе таких оптических запоминающих устройст-

вах сигналов аккумулированного ДСФЭ, возбуждение которых может осуществляться маломощными лазерными импульсами. Кроме этого, постоянное обращение к памяти требует решения проблемы многократного считывания сигнапов ДСФЭ из одной и той ie ячейки носителя информации ( резонанасной среды ).

В первом разделе третьей главы исследуется запись информации в ансамбле РЗИ в 8ФП в режиме аккумулированного ДСФЭ. 8 отличии от работы [Shtyrkov E.I. et al.Las.Phys.-1991-V.l,N4-P.370-379] , в которой аккумулированное эхо рассматривается в трехуровневой системе лишь с одним оптически разрешенным переходом, в диссертации рассматривается многоуровневые системы , учитывавшие все многообразие процессов возбуждения и релаксации на оптических переходах РЗИ в 8ФП. Получено выражение, описывающее изменение населенностей подуровней основного состояния под воздействием пары лазерных импульсов в режиме аккумулированного ДСФЭ [7]. Из анализа полученного выражения сделан вывод о возможности генерации ( помимо сигнала аккумулированного эха ) дополнительных сигналов зха паске подачи считывавшего иипупьса через интервалы времени, кратные интервалу времени между импульсами в паре . Генерация дополнительных сигналов эха связана с появлением все более высоких частотных гармоник модуляции населенности подуровней основного состояния по маре увеличения числа подаваемых импульсных пар. Для РЗИ с ядерным спином 1/2 в магнитном поле и ядерным спином 3/2 8 отсутствии магнитного поля при условии симметричности процессов возбуждения и релаксации населенности между подуровнями основного и возбужденного состояния произведена оценка глубины модуляции частотных решеток появляющихся в режиме аккумулированного долгохивушего эха.

Во втором разделе третьей главы рассматриваются вопросы многократного считывания сигналов ДСФЭ в системе РЗИ 8 ВФП. Впервые расчет сигналов ДСФЭ в условиях многократного считывания был проведен в [Ахмедиев Н.Н.,Борисов 5.С. Письма ШТФ-1985-Т.11,8.9-С.533-536] для трехуровневой системы . Для РЗИ в ВФП ситуация значительно сложнее, чем в трехуровневой системе , которую рассмотрели авторы указанной выше работы, так как в формировании долгохивушего зха в рассматриваемом нами случае участвуют все переходы между подуровнями основного и возбужденного состояний. Используя результаты второй главы , нам удалось получить общие выражения , описывающие как интенсивность сигнала долгоживуще-го стимулированного фотонного эха после п-ого считывания , так населенности подуровней основного состояния (см. [ 7 ] ) при условии , что возможны процессы релаксации с любого подуровня возбужденного состояния на любой подуровень основного состояния. Полученные нами соотношения'были использованы для . получения информации о процессах релаксации населенности на переходе JHi)-iP0 иона Рг3*в трифториде лантана из сигналов многократного считывания долгоживу-щего зха (см. рис.3). Здесь нужно отметить, что впервые эксперимент по много-

т1 10"+

8-.

6г-

о

дсфэ о

о +

15

о +

ЧИСЛО СЧИТЫВ&-

20 25

ющих импульсов

Рис.3 Зависимость относительной интенсивности сигналов ДСФЭ в кристалле 1аГ3 : Рг3*( переход3Н^ -390 ; интервал -времени между первыми двумя импульсами -25 не ; интервал времени между считывавшими импульсами - 80 мс ) от числа считывающих импульсов : + - в отсутствии магнитного поля ; о - в магнитном поле 250 Гс .

кратному считыванию сигналов ДСФЭ в :Р^вьполнен в работе [ Ахмедиев Н'.Н. и др. Письма 13ТФ - 1988 - Т.48,8.11 - С.585-587]. Мы будем обозначать номера подуровней основного состояния индексом 1 , возбужденного состояния-- индексом к . Пусть есть та часть населенности к-ого подуровня возбужденного состояния, которая в результате процессов релаксации оказывается на 1-ом.подуровне основного состояния. Условимся называть процессы релаксации Симметричными , если для любого уровня 1 основного состояния справедливо следуюшеее п : па€ ( 1 и к пробегают значения от 1 до N ) .

Тогда, в случае симметричной релаксации может наблюдаться полное исчезновение сигнала долгоживущего эха , если подать оптический 180'-импульс ( то есть в этом случае мы получаем полное стирание информации о воздействии первых двух импульсов ). При других п уменьшение интенсивности от импульса к импульсу при многократном считывании будет менее выраженным ( см. рис.3 ). Площадь лазерных импульсов в наших экспериментах была порядка 1 раа. При такой импульсной плошади в случае симметричной релаксации после воздействия считывающего импульса интенсивность эха должна уменьшаться на порядок. Поэтому наши зкепе-

риментальные ванные говорят о несимметричности процессов релаксации населенности ( особенно этот эффект проявляется в магнитном поле ). Ранее , в работе (Nitsunaga Н. et al. Phys.Rev.B - 1992-V.45,N22-P.12760-12768] предпринимались попытки определить л из модуляции сигналов стимулированного эха , но совершенно разные модели этих коэффициентов давали похожие модуляционные кривые.

Третий раздел третьей главы посвяшен ко^откоимпульсному лазерному возбуждению намагниченности в кристалле YftlOj :Рг3 . большинство исследований по оптическому возбуждению намагниченности было выполнено в газовых средах и рубине ( см. например, эксперимент [Van der Ziel F.P.,Blombergen N. Phys.Rev. -1965 -V.138,N4A-P.1287-1292 и теорию Алексеев А.И. Опт. и спектр.-1993 -Т.75, 6.1 -С.842-853 ]). Ее появление было связано с формированием неравновесной разности населенностей зеемановских подуровней , поэтому эту намагниченность можно назвать продольной светоиндуцированной намагниченность». Для ван-флековсш. парамагнетиков даже в очень сильном магнитном поле расщепление подуровней основного и возбужденного состояний не превышает сотен МГц, то есть даже при гелиевых температурах уровни основного состояния будут равнонаселены. 8 этом случае , после воздействия короткого лазерного импульса у нас изменяются населенности уровней, возникают недиагональные элементы матрицы плотности на оптических переходах, в то время как недиагональные элементы матрицы плотности на переходах между сверхтонкими подуровнями равны нулю ( напомним , что первый лазерный импульс создает суперпозиционные состояния только на оптических частотах ). Возникшие дипольные моменты на оптических частотах начинают расфазировагься. Второй лазерный импульс подается через время , достаточное для того чтобы , между дипольными моментами на разных оптических переходах одного и того же редкоземельного иона набежала разность фаз порядка 1 рад. Таким образом второй лазерный импульс воздействует на расфазированные дипольные моменты на оптических частотах и изменяет их . Кроме этого , меняются диагональные элементы матрицы плотности и возникают недиагональные элементы на сверхтонких переходах ( на радичастотных переходах возникают суперпозиционные состояния ). Сразу же после окончания действия второго лазерного импульса у редкоземельных ионов на радиочастотных переходах возникают магнитные моменты . Однако , из-за того, что все моменты находятся в расфазированном состоянии , макроскопическая намагниченность в кристалле отсутствует. Для ее появления необходимо выполнение следующего условия [4,5,7] : все частицы , которые находились на оптических частотах в одном спектральном пакете, оказываются в одном спектральном пакете и на частотах сверхтонких переходов . 8 этом случае через время ^^произойдет сфа-зирование микроскопических магнитных моментов ( q - отношение неоднородных ширин на оптическом и сверхтонком переходах, tu - интервал времени между двумя лазерными импульсами ) и формирование неравновесной намагниченности.

» >

Как известно ширина ядерных подуровней редкоземельных ионов определяется магнитными диполь-дипольными взаимодействиями и неоднородность!) кристаллического электрического поля [ Hartmann S.R. et al. Phys.Rev.8-1980-V.21, Ml -Р.40-47 ] , тогда как на оптических частотах неоднородное уширение определяется при гелиевых температурах , в основной . неоднородность» электрического кристаллического поля . Поэтому интерес представляют те кристаллы ззн-фле-ковских парамагнетиков , у которых на сверхтонких переходах доминирует уширение , связанное с неоднородным распределением по кристаллу электрического кристаллического поля . 8 этом плане наибольший интерес представляет кристалл YAlOj с Рг3+, ядерные волновые функции которого в основном состоянии с хорошей точность» соответствуют состояниям |1/2>, J3/2> и [5/2> . Неоднородные ширины ядерных переходов в основном состоянии иона Рг г этом кристалле соотносятся друг к другу как 1:2:3 , а такое соотношение говорит о том , что линии увирены кристаллическим полем . Для t^lO не сигнал намагниченности появится через 100 мке после воздействия второго лазерного импульса. Из компь-терных расчетов следует, что в момент фазировки недиагональные элементы матрицы плотности , ответственные за появление магнитных моментов на сверхтонких переходах , будут порядка 0,1 .

Четвертая глава посвящена решению проблемы локального стирания информации в оптических запоминавших устройствах на основе долгоживущего фотонного эха. Очевидно, что для решения этой проблемы необходимо устранить пространственно-частотну» модуляций населенностей уровней [Моисеев С.А. , йтырков Е.Н. Квант, электр. -1991-1.18,8.4-С.447-451 ] . Первый раздел главы посвящен способу локального стирания информации последовательность» оптических импульсов . Суть этого способа замечается в следующем [ 1 ] : последовательность оптических импульсов воздействует на интересуэду» пользоваля область кристалла ( ячейку памяти) и изменяет населенности подуровней основного состояния ( за счет переноса части населенности на подуровни возбужденного состояния ) таким образом , чтобы в результате происходящих на оптическом переходе релаксационных процессов решетка населенностей подуровней основного состояния исчезла бы после того, m вся населенность с подуровней возбужденного состояния перш на подуровни основного сотояния.

8'разделе подробно рассмотрено стирание информации в ван-флековском парамагнетике с редкоземельными ионами с ядерным слином равным 1/2 ( в магнитном поле ) и с ядерным спином равным 3/2 ( в отсутствии магнитного поля ). Определены условия, которым должны удовлетворять процессы возбуждения и релаксации в такой системе, чтобы информацию можно было стереть оптическими импульсами. Осуществимость стирания этим методом зависит от величин , которые в настоящее время почти неизвестны . В этом состоит недостаток этого метода , но он все же

привлекателен тем, что может бить использован для определения неизученных характеристик пк£ , которые характеризуют процессы релаксации населенности с подуровней возбужденного состояния на подуровни основного состояния.

Второй раздел этой главы посвящен другому методу локального стирания информации [ 7 ] . На редкоземельные ионы в ван-флековском парамагнетике сначала воздействует 180°-импульс (после чего вся населенность основного состояния пеое-водится таким импульсом на подуровни возбужденного состояния 1 . После такого лазерного возбуждения на систему воздействует радиочастотные импульсы. 1ля редкоземельных ионов с ядерным спином 1/2 (в магнитном поле) и ядерным спином 3/2 в отсутствии магнитного поля необходимо подействовать на кристалл 90'-радиочас-тотным иипупьсом резонансным сверхтонкому переходу возбужденного состояния. Для редкоземельных ионов с ядерным спином 5/2 ( 8 отсутствии магнитного поля ) на кристалл нужно подать более сложную радиочастотную последовательность : первый и третиий импульсы, имевщие площадь 90', резонансны переходу 1/2--3/2 возбужденного состояния , второй импульс имеет импульсную площадь arccos( -1/3 ) и резонансен переходу 3/2--5/2 возбужденного состояния . Для уменьаения длительности цикла стирания необходимо после радиочастотных импульсов подать снова оптический 180'-импульс ( для более быстрой подготовки ячейки памяти к новому циклу записи информации ). Локальный характер воздействия оптического 180*-ин-пульса определяет локальный характер всей операции стирания. Наибольшие затраты времени в этом стирающем цикле связаны с радиочастотными импульсам , поэтому для уменьшения длительности радиочастотного воздействия необходимо использовать возбужденные состояния с как можно большим расщеплением подуровней . Наиболее интересным в этом плане представляется кристалл YjOj.-Eu, так как подуровни возбужденного состояния имеют расщепление «»100 МГц и можно расчитывать на то , что вся радиочастотная последовательность будет иметь длительность меньше 1 икс, в то время как для кристалла Laf3:Рг3+" ее длительность будет «>10-50 икс.

Предлагаемая последовательность стирания некритична к фазовым соотношениям между импульсами. В то же время в радиочастотном диапазоне нет таких проблем с получением импульсов с заданной площадь» как в оптике. Кроме этого метод позволяет добиться с помощью последовательности стирающих циклов ( в каждом цикле площади импульсов могут быть и меньше 180 и могут не равняться друг другу ) того же эффекта . что и при использовании одного цикла с оптическими 180*-импуль-сами.

В Заключении формулируются основные результаты работы: 1. Теоретически исследованы особенности формирования сигналов долгоживущего стимулированного фотонного эха s кристалле трифтори.да паитана с ионами празе-одимз в слабом магнитном поле . Подавление процессов кросс-релаксации между

ядрами Рг и Р обязано тому, что соответствующие ядра с ростом магнитного поля выходят из резонанса. Из кривой роста относительной интенсивности сигнала ДСФЭ с увеличением магнитного поля, нам удалось определить скорости кросс-релаксации ядра Рг с одним и тремя ядрами ? : 10*с"1 и 103 с"1".

2. Из анализа поляризационных свойств сигналов долгоживуаего стимулированного фотонного эха в кристалле ЬаГд: Рг^на переходе определены : величина электрического дипольного момента перехода ( 5-10"" ед. СГС ) и ориентация осей кристалла,

3. Теоретически исследован решим аккумулированного долгоживущего стимулированного фотонного эхз в кристаллах ван-флековсхих парамагнетиков с учетом реальной структуры энергетических уровней редкоземельных ионов ( многоуровневой системы ) , процессов возбуждения и релаксации , происходящих при оптическом возбуждении кристалла на переходе, на котором формируется сигнал эха. Показана возможность генерации дополнительных эхо-сигналов в многоуровневой системе при подаче считывающего импульса в режиме аккумулированного долгоживуцего фотонного эха, то есть через интервалы времени, кратные интервалу времени между импульсами в паре, после подачи считывавшего импульса . Показана возможность получения информации о процессах релаксации населенности отдельных подуровней возбужденного состояния на подуровни основного состояния.

4. Теоретически исследован режим многократного считывания сигналов долгожизу-щего стимулированного фотонного эха в ван-флековских парамагнетиках и получены выражения, описывавшие интенсивность таких сигналов и населенности уровней в этом режиме. Из анализа экспериментальных данных го многократному считыванию сигналов ДСФЭ на переходеРг*+ в кристалле сделан вывод о несимметричности процессов релаксации населенности с подуровней возбужденного состояния на подуровни основного состояния.

5. Предложен новый метод возбуждения намагниченности в ван-флековских парамагнетиках , в котором намагниченность возникает после второго лазерного импульса. Намагниченность, полученная этим способом, по своей величине не уступает намагниченности, получаемой традиционными способами при чрезвычайно глубоком охлаждении кристалла или при помещении его в очень сильное магнитное поле.

6. Предложен и обоснован метод локального стирания информации в оптических запоминающих устройствах на основе долгоживущего стимулированного фотонного эха последовательность» оптических импульсов.

7. Предложен и обоснован метод локального стирания информации в оптических запоминавших устройствах на основе долгоживущего стимулированного фотонного эха в ван-флековских парамагнетиках с редкоземельными ионами последовательностью оптических и радиочастотных импульсов .

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Karamyshev S. В. Theoretical study of decay of frequency-space modulation of level populations. // Laser Physics. - 1993 - V.3, N5 - P.1037-1041.

2. Зуйков В. А., Карамышев С. Б., Самарцев В. В., Вейбут ». Е. Влияние магнитного поля на функционирование оптического эхо-процессора..// II Международный симпозиум " Физические принципы и методы оптической обработки информации " . Тез. доп., Гродно, 1993, С.36.

3. Bikbov I. S., Zuikov V. ft., Karamyshev S. В., Samartsev V. V. Long-lived photon echo in LaFj :Pr,+-crystal: polarizations properties; influence of week magnetical field; problem of local information erasing.// Laser Physics. -

1994 - V.4, HI - P.95-108.

4. Карамышев С. Б. Оптическое возбуждение намагниченности в ван-флековских парамагнетиках. // Шур. прикл. спектр. - 1994 - Т.61, N1-2 - С.149-151.

5. Karamyshev S. В. Optical excitation of magnetization in YAlOj:Pr3+.// Extended Abstr. XXVII Congress AMPERE. Kazan, 1994, P.356-357.

6. Zuikov V. A., Karamyshev S. В., Samartsev V. V. The magnetic field influence on the long-lived photon echo in LaF4:Pr* // Extended Abstr. XXVII Congress AMPERE. Kazan, 1994, P.383-384.

7. Bikbov I. S., Zuikov V. A., Karamyshev S. В., Samartsev V. V. Hultipulsed optical excitation of Van-Vleck paramagnetics: accumulated echo, multi reading of long-lived photon echo and excitation of magnetization. // Laser Physics. -

1995 - V.5, N1.

Сдано e набор 16.12.94 г. Подписано в печать 17.12.94 г. Форм. бун. 60 х 84 1/16 . Пвч.я.1. Тираж 100. Заказ 14 Бесплатно

Лаборатория оперативной полиграфии КГ У 420008 Казань, Авнина, 4/5