Теоретическое исследование сигналов первичного, стимулированного и долгоживущего фотонного эха в примесных кристаллах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

•3 ММ* ^^САЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

им. В И. Ульянова-Ленина

На правах рукописи

КАЛАЧЁВ Алексей Алексеевич

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СИГНАЛОВ ПЕРВИЧНОГО, СТИМУЛИРОВАННОГО И ДОЛГОЖИВУЩЕГО ФОТОННОГО ЭХА П ПРИМЕСНЫХ КРИСТАЛЛАХ

01.04.05 - Оптика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Казань-1997

Работа выполнена в Казанском государственном педагогическом университете и в Казанском физико-техническом институте КНЦ РАН

Научные руководители: доктор физико-математических наук,

профессор Нефедьев Л. А.

доктор физико-математических наук,

член. кор. РАЕН, профессор Самарцев В.В.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

Ведущая организация: Ульяновский государственный университет

Защита состоится " && " сиСср'кй 1997 г. в ^ час. на заседании специализированного Совета Д.053.29.06 при Казанском государственном университете имени В.И.Ульянова-Ленина (420008, г. Казань, ул. Кремлёвская, 18, КГУ).

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Казанского государственного университета.

Автореферат разослан " /У " ф^/цхи Л. ¡997 г Ученый секретарь

профессор Гайнутдинов Р,Х кандидат физико-математических наук, Андрианов С.Н.

специализированного Совета

ЕВ.Сарандаев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время большое научное и практическое значение приобретает физика резонансного взаимодейстгшя лазерного излучения с веществом Среди изучаемых эффектов постоянный интерес вызывают переходные онпгчрские явления, в частности, фотонное (световое) эхо (ФЭ), на основе коюрого разрабатываются методы когерентной эхо-спектроскохши и оптической обработки информации. Явление фотонного эха, по существу, представляет собой оптический аналог хорошо известного в спектроскопии ядерного магнитного резонанса явления спинового эха, но имеет, по сравнению с последним, рад особенностей. Поскольку длина волны возбуждающего света намного меньше линейных размеров используемых резонансных сред, формирование когерентного оптическою отклика сопровождается возникновением в резонансной среде динамических решеток населённости и поляризации оптических центров и, как следствие, подчиняется условию пространственного синхропизма Поэтому большой интерес представляет собой исследование именно угловых и поляризационных закономерностей фотонного эха. Данная задача является актуальной, прежде всего, с точки зрения разработки методов поляризационно-угловой эхо-спектроскопии твердых тел

Другое направление исследований фотонного эха связано с тем, что последнее может служить способом запоминания, преобразования и воспроизведения пространственно-времешюй структуры возбуждающих импульсов, что представляет интерес для разработки систем оптической памяти и оптической обработки информации. С этой точки зрения наиболее перспективным является долгоживухцее ФЭ (ДФЭ), наблюдаемое в кристаллах ван-флековских парамагнетиков (ВФП), активированных редкоземельными ионами (РЗИ). Поскольку сама возможность долговременного хранения информации в таких кристаллах связана с процессами релаксации между сверхтонкими подуровнями

основного электронного состояния РЗИ, весьма актуальным является исследование ДФЭ с учетом релаксационных процессов данного типа Особый интерес представляет собой исследование многоимпульсных режимов ДФЭ, а именно, процессов аккумулированной записи и многократного считывания информации. Разработка данного вопроса имеет большое значение и с позиций эхо-спектроскопии. Информация о параметрах, характеризующих взаимодействие ядер РЗИ с решеткой, которая получается с помощью ДФЭ, в ряде случаев является уникальной, поскольку в данных эхо-экспериментах используются кристаллы ВФП с очень малой концентрацией примесных центров, когда сигналы ядерного спинового эха имеют ничтожно малую интенсивность.

Целью работы является теоретическое исследование ряда важных с точки зрения эхо-спектроскопии и разработки оптических запоминающих устройств закономерностей формирования откликов первичного, стимулированного и долгоживущего ФЭ в примесных кристаллах, а именно: а) влияние релаксационных процессов на формирование ДФЭ в кристаллах ВФП, определение оптимальных условий многоимпульсных процессов записи и считывания информации в режиме ДФЭ;

б) поляризационные и угловые закономерности ФЭ в твердых телах, разработка методов поляризационно-угловой эхо спектроскопии;

в) разработка методов стирания информации, записанной в режимах стимулированного и долгоживущего ФЭ.

Основные защищаемые положения. На основе проведённых исследований на защиту выносятся следующие положения:

1. Результаты исследования влияния ядерной релаксации на формирование долгоживущего ФЭ в кристаллах ВФП. Результаты исследования многократного считывания сигналов ДФЭ в кристалле Ьа^Рг3*.

2. Результаты теоретического изучения аккумулированного ДФЭ в кристаллах ВФП.

3. Результаты теоретического исследования поляризационных закономерностей стимулированного и долгоживущего ФЭ в кристалле

Ьа'г^Рг3*.

4. Результаты исследования угловых закономерностей первичного ФЭ в примесных кристаллах. Объяснение модуляционного характера зависимости интенсивности первично! о ФЭ от угла между волновыми векторами возбуждающих импульсов.

5. Метод "запирания" информации в оптических запоминающих устройствах на основе ФЭ.

6. Результаты исследования неравновесной населённости сверхтонких подуровней основного состояния РЗИ в кристаллах ВФП, возникающей после резонансного оптического возбуждения. Метод локального стирания информации в режиме ДФЭ и метод лазерного охлаждения ядерной спиновой системы в кристаллах ВФП.

Научная новизна полученных в диссертации результатов состоит в следующем:

Впервые проведен теоретический анализ ДФЭ в ВФП с учётом процессов релаксации населённостен сверхтонких подуровней основного электронного состояния редкоземельных ионов. Впервые теоретически проанализировано влияние процессов ядерной релаксации на многократное считывание сигналов ДФЭ в ван-флековских парамагнетиках. Впервые теоретически исследовано аккумулированное ДФЭ в ВФП с учетом реальной структуры энергетических уровней редкоземельных ионов и релаксационных процессов между сверхтонкими подуровнями. Теоретически исследованы угловые закономерности фотонного эха в примесных кристаллах. Впервые объяснена наблюдаемая экспериментально модуляция интенсивности ПФЭ, возникающая при изменении угла между волновыми векторами возбуждающих импульсов. Теоретически исследованы поляризационные закономерности СФЭ и ДФЭ в кристалле ЬаР3:Рх^+. Получено выражение, описывающее зависимость поляризации отклика СФЭ от поляризации

возбуждающих импульсов при произвольной площади последних. Рассмотрены случаи, когда импульс эха распространяется как вдоль, так и перпендикулярно оптической оси кристалла.

Практическая значимость работы заключается в получении результатов, которые могут бьггь использованы для развития методов оптической когерентной эхо-спектроскопии и для разработки систем оптической обработки информации.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на XV Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Санкт-Петербург, 1995), на X Феофиловском симпозиуме (Санкт-Петербург, 1995), на IV международной конференции по лазерной физике (Workshop "Volga Laser Тош**, 1995).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 работ, список которых приводится в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения и списка литературы (86 наименований). Работа изложена на 101 странице, включая 25 рисунков, 1 таблицу и список литературы.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении к диссертации обосновывается актуальность выбранной темы и рассматриваемых в диссертации - вопросов, формулируются цель работы и основные защищаемые положения, кратко излагается содержание диссертации.

Первая глава является обзорной. В § 1.1 рассматривается физика формирования фотонного эха в твердом теле, методы его расчёта в рамках двухуровневой модели я основные приближения, обычно используемые при теоретическом анализе эхо-явлений. В § 1.2 рассматриваются основные механизмы формирования долгоживущего фотонного эха. В § 1.3 рассматриваются кристаллы ван-флековских

парамагнетиков, в которых в настоящее время достигнуты наибольшие времена оптической фазовой памяти при формировании ДФЭ.

1&ОЕял_глака посвящена исследованию шюгоимпульсных режимов /ДФЭ в кристаллах ВФП.

В §2 1 разит математический формализм, позволяющий рассчитывать отклики ФЭ и кристаллах ВФП с учетом реальной структуры энергетических уровней примесных РЗИ и с учетом релаксационных процессов, происходящих между сверхтонкими подуровнями основного электронного состояния примесных ионов. На основе развитой методики расчёта получено выражение для напряжённости электрического поля отклика ДФЭ.

В § 2.2 исследуется процесс многократною считывания сигналов ДФЭ, когда вместо одного считывающего импульса подается последовательность считывающих импульсов, после каждого из которых генерируется сигнал ДФЭ. Получено выражение для напряжённости электрического поля отклика ДФЭ после воздействия N возбуждающих лазерных импульсов. Исследована зависимость релаксационного спада многократно считанного ДФЭ от площади считывающих импульсов. Показано, что малые значения площади считывании« импульсов (или значения площади близкие к 2л, 4и и т.д.) являются оптимальными для многократного считывания информации в режиме ДФЭ. Сделано сравнение теории с экспериментом для кристалла ЬаРз.Рг5* На рис.1 показана (а) зависимость интенсивности ДФЭ I от интервала х2г между вторым (объектным) и третьим (считывающим) возбуждающими импульсами и (б) зависимость интенсивности ДФЭ 1 в режиме многократного считывания от числа считывающих импульсов N (при интервале между считываниями 80 мс и площади импульсов ~ 0.2 рад). Точки - экспериментальные значения, кривые - результат расчёта. В качестве подгоняемых параметров выступали скорости релаксации населенностей сверхтонких подуровней основного состояния ^(О) ионов

1 6 11 16 21 26

Рнс.1. (а) Зависимость интенсивности ДФЭ I от интервала г» между вторым и третьим импульсами, (б) Зависимость интенсивности ДФЭ I от числа N считывающих импульсов. Точки - экспериментальные значения, кривые - результат теоретического расчета.

Рг3* в кристалле ЬаР3:Рг5+, где каждый электронный уровень ионов Рг3' расщеплён на три двукратно вырожденных сверхтонких подуровня. В результате для скоростей релаксации полужены следующие значения: (1/1.85) с"1 и (1/8.08) с"1, что согласуется со значениями, полученными методом выжигания провалов в работе [I].

В § 2.3 исследуется формирование аккумулированного ДФЭ в кристаллах ВФП, когда вместо первой пары возбуждающих импульсов подаётся последовательность одинаковых пар импульсов. Получено выражение для напряжённости электрического поля отклика ДФЭ при возбуждении образца N парами импульсов. Проанализирована зависимость интенсивности аккумулированного ДФЭ и кумулятивного эффекта от числа возбуждающих пар импульсов и площади импульсов в парах. Учтена возможная нестабильность оптической линии задержки. Получено хорошее согласие теории с экспериментальными результатами [2,3] для кристалла ЬаРуРг51.

Третья глава посвящена исследованию угловых и поляризационных закономерностей ФЭ в примесных кристаллах.

В §3.1 исследуется влияние геометрии эксперимента на формирование первичного фотонного эха. Показано, что при выполнении

условия (£ - толщина среды, Г,„ь - неоднородная ширина

I*

оптического перехода, с - фазовая скорость света в среде) должна наблюдаться модуляция интенсивности ПФЭ при изменении угла между волновыми векторами возбуждающих импульсов. Получено хорошее согласие теории и эксперимента На Рис.2 показана зависимость интенсивности I ПФЭ от угла а между волновыми векторами возбуждающих импульсов. Точки - экспериментальные данные [4], полученные на примесной полимерной плёнке толщиной 85 мкм при длине волны лазерных импульсов 780 нм, кривая - результат теоретическбго расчёта.

I(te) (отн.ед.)

Рис.2. Зависимость интенсивности ПФЭ от угла а между волновыми векторами возбуждающих импульсов. Точки -экспериментальные данные, полученные в работе [4], кривая -результат теоретического расчёта

В § 3.2 исследуются поляризационные свойства СФЭ и ДФЭ в кристалле ЬаРз^Г5*. Получено общее выражение для напряжённости электрического поля отклика СФЭ при произвольных значениях площадей возбуждающих импульсов. Сделан анализ зависимости интенсивности и поляризации отклика от поляризации возбуждающих импульсов. В приближении малых площадей возбуждающих импульсов исследованы поляризационные закономерности отклика СФЭ, который распространяется как вдоль, так и перпендикулярно оптической оси кристалла. Обсуждаются возможности поляризационной выборки информации в режиме СФЭ и ДФЭ.

Четвёртая глава посвящена проблеме стирания информации в оптических запоминающих устройствах на основе ФЭ.

В § 4.1 разрабатывается метод "загаграшш" информации в режиме ФЭ путём нарушения корреляции неоднородного уширения оптической линии на различных временных интервалах. Термин "запирание" означает создание таких обратимых условий, при которых во время считывания подавляется генерация оптических когерентных огкликов. Это можно осуществить, в частности, путём наложения на образец внешнего неоднородного электрического поля на определенных временных интервалах. Показано, что включение неоднородного электрического поля во время записи информации в режиме СФЭ или ДФЭ (то есть во время действия первых двух лазерных импульсов) позволяет "запереть" эту информацию путём выключения поля во время считывания. Сделана оценка требуемой величины градиента электрического поля для случая, когда его напряжённость линейно изменяется вдоль одной координатной оси:

дЕ 2ж дг а 1х

где а - коэффициент штарковского расщепления, / - длина образца, т -временной интервал между первыми двумя импульсами. При

ЛХГ

а ~ {00 КГ ц/ГВ-см"1), т ~ 50 не и / ~ 1 см получаем ---200(В- см"2).

дг

Рассмотрен режим аккумулированного ДФЭ. Показано, что в этом случае возможно "запирание" информации, записанной п-ой возбуждающей парой, путём включения во время её действия внешнего неоднородного поля и выключения поля при считывании. С другой стороны, если включить это поле перед считывающим импульсом, то будет воспроизводиться информация только от «-ой возбуждающей пары. В результате, получается два независимых канала для записи и считывания информации. Обсуждаются варианты использования "запирания" информации в оптических запоминающих устройствах: увеличение плотности записи информации и возможность её шифрования, многоканальная обработка информации, аналоговая обработка эхо-голограф ической информации.

В § 4.2 исследуется неравновесная населённость сверхтонких подуровней основного электронного состояния РЗИ в кристаллах ВФП, возникающая после их оптического возбуждения. Теоретически рассмотрен случай, когда электронные уровни примесных ионов расщеплены на два сверхтонких подуровня. Получено выражение для разности населённости рц - р22 ядерных подуровней основного электронного состояния ионов после воздействия узкополосного лазерного импульса и релаксации возбуждённого оптического уровня (здесь рм - диагональный матричный элемент одно-частичной матрицы плотности, соответствующий л-му подуровню, а сверхтонкие подуровни нумеруются в порядке возрастания их энергии). Показано, что существенное изменение населённости получается при следующих условиях возбуждения: а) частота Раби импульса того же порядка, что и частота сверхтонкого перехода в основном электронном состоянии; б) неоднородная отстройка несущей частоты лазерного импульса от частоты оптического перехода иона мала, по сравнению с частотой сверхтонкого перехода. При этих условиях исследована зависимость возникающей неравновесной населённости ядерных подуровней от площади лазерного импульса. Показано, что используя импульсы определённой площади и меняя их несущую частоту в пределах неоднородной ширины оптического перехода можно получить для всех примесных ионов одинаковую величину рц - р2г ~ 0.2+0.4 при начальном условии рц-ри~ Ю'3. При частоте сверхтонкого перехода со ~ 10 МГц получается следующая оценка для спиновой температуры

Т3 ---р^--г~10~3 -*-10~4К. Таким образом, возможно лазерное

Агв1п(рп/р22)

охлаждение ядерной спиновой подсистемы РЗИ в кристаллах ВФП.

С другой стороны показано, что воздействуя лазерным импульсом с определённой площадью на ионы с неравновесной населённостью ядерных подуровней можно, наоборот, выровнять эти населённости. Таким образом, возможно локальное стирание информации в режиме

ДФЭ. Причём локальность воздействия в данном случае получается как по

координатам, так и по частоте.

В___заключении диссертации приводя! ся основные результаты

работы, которые можно сформулировать следующим образом:

1. Впервые проведен теоретический анализ ДФЭ в ВФП с учётом процессов релаксации между сверхтонкими подуровнями основного электронного состояния ионов.

2. Теоретически проанализировано влияние процессов ядерной релаксации на многократное считывание сигналов ДФЭ в ван-флековских парамагнетиках. Определены оптимальные условия многократного считывания сигналов ДФЭ. Из сравнения теории и эксперимента получены времена жизни всех сверхтонких подуровней основного электронного состояния ионов Рг3* в ЬаГ'з.

3. Теоретически исследовано аккумулированное ДФЭ в ВФП с учётом реальной структуры энергетических уровней редкоземельных ионов и релаксшщонных процессов между сверхтонкими подуровнями.

4. Теоретически исследованы угловые закономерности фотонного эха в примесных кристаллах. Объяснены основные экспериментальные закономерности, в частности, модуляция интенсивности ПФЭ, возникающая при изменении угла между волновыми векторами возбуждающих импульсов.

5. Теоретически исследованы поляризационные закономерности СФЭ и ДФЭ в кристалле ЬаРэгРг3*. Получено выражение, описывающее зависимость поляризации отклика СФЭ от поляризации возбуждающих импульсов при произвольной площади последних. Рассмотрены случаи, когда импульс эха распространяется как вдоль, так и перпендикулярно оптической оси кристалла.

6. Теоретически исследована неравновесная населённость сверхгонких подуровней основного электронного состояния РЗИ в кристаллах ВФП, возникающая при оптическом возбуждении резонансной среды. На основе полученных закономерностей предложены метод

локального стирания информации в режиме ДФЭ и метод лазерного охлаждения ядерной спиновой подсистемы в кристаллах ВФП.

7. Разработан метод "запирания" информации в оптических запоминающих устройствах на основе ФЭ путём нарушения корреляции неоднородного уширения резонансной линии на различных временных интервалах.

ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Shelby R.M., Macfarlane R.M., Yannoni C.S. Optical measurement of spinlattice relaxation of dilute nuclei: LaF^Pr3*. - Phys. Rev. A, 1980, v.21, N11, p. 5004-5011.

2. Zuikov V.A., Samartsev V.V., Stelmakh M.F. et al. Accumulated long-lived photon echo in LaF^Pr3* crystal. - Laser Physics, 1991, v.l, N6, p. 678-688.

3. Яшин A.H., Лазарь А.П., Руткевич С.Б. Влияние нестабильности оптической длины пути в линии задержки на интенсивность аккумулированного фотонного эха - Журн. прикл. спектр., 1994, т.61, № 5-6, с. 436-440.

4. Zuikov V.A., Ferri W., Ollikainen О., Rebane A.K., Wild U.P. Wave-matching of femtosecond and picosecond photon echoes in dye-doped polymer films. - Laser Physics, 1996, v.6, N4, p.729-733.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих

работах:

1. Калачев А.А., Нефедьев Л.А. Поляризационные свойства стимулированного фотонного эха в кристалле LaF3:PrJ+. - Опт. и спектр., 1993, т. 75,в.5, с. 1016-1021.

2. Kalachev A.A., Samartsev V.V., Nefediev L.A Polarization and temporal processing of the information using long-lived stimulated photon echo. -Proc. SPffi, 1995, v. 2798, p. 147-153

3. Зуйков В.А., Калачев А.А., Нефедьев Л.А., Самарцев В.В. Многократное считывание сигналов долгоживущего фотонного эха в кристалле Lab'j:Pr3+. - Тезисы докладов X Фсофиловского симпозиума. Санкт-Петербург, 1995, с, 272-273.

4. Kalachev A. A., Zuikov V.A., Samartsev Y.V. and Nefed'ev LA. Optimal reading regime in the optical memory based on the long-lived photon echo. -Optical Memory and Neural Networks, 1995, v.4, N4, p. 273 -276.

5. Zuikov V.A., Kalachev A.A., Samartsev V.V. and Nefed'ev L.A. Revealing the independence of the relaxation decay of a long-lived photon echo from the number of reading pulses. - Laser Physics, 1995, v.5, N5, p. 993-996.

6. Зуйков B.A., Калачев A.A., Нефедьев Л.А., Самарцев В.В. Многократное считывание сигналов долгоживущего фотонного эха и ядерна.« релаксация. - Квант, злекгр., 1996, т.23, N3, с. 1 -4.

7. Kaiachey A.A., Karamysbev S.B., Samartsev V.V. Laser cooling of the spin system in Van Vleck paramagnetics, - Laser Physics, 1996, v.6, N1, p.27-29.

8. Kalachev A.A., Samartsev V.V. Accumulated long-lived photon echo in Van Vleck paramagnetics and problem of optical memory. - Optical Memory and Neural Networks, 1996, v.5, N2, p. 69-74.

9. Kalachev A. A., Samartsev V.V. The peculiarities of accumulated long-lived photon echo in Van Vleck paramagnetics. - Laser Physics, 1996, v.6, N4, p.

10. Kalachev A.A., Samartsev V.V., Zuikov V.A., Rebane A.K. and Wild U.P. Angular regularities of the photon echo in doped crystals. - Laser Physics, 1996, v.6, N5, p. 942-945.

11. Kalachev A. A., Samartsev V.V. The peculiarities of local data erasure and laser cooling in Van Vleck paramagnetics. - Laser Physics, 1997, v. 7, "N2, (в печати).

735-738.