Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Пространственное распределение спектра интенсивности рассеяния фемтосекундного излучения в анизотропных кристаллах 12
1.1. Методы генерации и измерения фемтосекундного излучения 12
1.2. Рассеяние излучения, как основа метода определения пространственного распределения состояния поляризации и интенсивности поля фемтосекундного излучения в анизотропной среде 19
1.3. Математическая модель рассеяния широкополосного оптического излучения в анизотропной среде .21
1.4. Экспериментальное исследование пространственного распределения интенсивности спектра рассеяния фемтосекундного суперконтинуума в кристаллах LiF с наведенной анизотропией, моделирование цветной картины рассеяния .27
1.5. Выводы 39
Глава 2. Пространственная модуляция интенсивности люминесценции точечных дефектов в ионных кристаллах под действием встречных фемтосекундных импульсов .41
2.1. Постановка задачи исследования люминесценции встречных фемтосекундных импульсов 41
2.2. Поглощение фемтосекундного излучения в дисперсионной среде и ее люминесценция. Основные уравнения и их решение 43
2.3. Численный расчет пространственного распределения интенсивности люминесценции центров окраски в А120з в поле интерферирующих встречных импульсов 50
2.4. Выводы 53
Глава 3. Пространственная модуляция интенсивности фотолюминесценции квантовых систем в схеме взаимно-обгоняющих возбуждающих импульсов 55
3.1. Введение 55
3.2. Модуляция интенсивности люминесценции ориентированных квантовых систем при дисперсионном расплывании возбуждающих фемтосекундных импульсов в реальной среде 57
3.3. Экспериментальное исследование пространственной модуляции интенсивности люминесценции центров окраски в кристаллах А12Оз, возбуждаемой паройвзаимно-когерентных обгоняющих друг друга фемтосекундных импульсов. 66
3.4. Выводы 73
Заключение 7
Литература 77
- Рассеяние излучения, как основа метода определения пространственного распределения состояния поляризации и интенсивности поля фемтосекундного излучения в анизотропной среде
- Экспериментальное исследование пространственного распределения интенсивности спектра рассеяния фемтосекундного суперконтинуума в кристаллах LiF с наведенной анизотропией, моделирование цветной картины рассеяния
- Численный расчет пространственного распределения интенсивности люминесценции центров окраски в А120з в поле интерферирующих встречных импульсов
- Модуляция интенсивности люминесценции ориентированных квантовых систем при дисперсионном расплывании возбуждающих фемтосекундных импульсов в реальной среде
Введение к работе
Актуальность работы
Исследования пространственной селективности взаимодействия света и вещества имеют большое значение для науки. Конденсированные среды (кристаллы, стекла, жидкости, полимеры, наночастицы и наноструктуры, жидкие кристаллы) – важнейшие источники оптического излучения и средства его преобразования. Фемтосекундные лазерные импульсы имеют не только малую длительность, но и очень малую пространственную протяженность. Поэтому мгновенное взаимодействие фемтосекундного излучения с веществом всегда нестационарно во времени и неоднородно в пространстве. Изучение пространственных распределений при взаимодействии такого излучения с веществом актуально не только для науки, но и для практики. В частности, методы оптической записи информации на двухмерные носители достигли предельной плотности записи, все более актуальными становятся разработки так называемых 3d оптических методов, позволяющих практически полностью отказаться от двухмерных структур и перейти к объемным средам [1]. Кроме того, разрабатываются новые методы микроскопии, разрешение которых напрямую зависит от времени когерентности зондирующего излучения [2]. В этих методах в качестве источника излучения в последнее время используют фемтосекундные лазерные системы.
Фемтосекундное излучение обладает рядом уникальных свойств: высокой величиной интенсивности, широким оптическим спектром, малой величиной времени продольной когерентности, что послужило сильным стимулом для внедрения фемтосекундного излучения, как инструмента, в научные исследования, производство, технику и медицину.
К началу XXI века были вскрыты механизмы и реализованы методы генерации и усиления высокостабильного излучения с длительностью менее 5 фс, что близко к фундаментальному пределу длительности излучения для видимого и ближнего инфракрасного диапазона [3]. На данный момент ведутся активные исследования генерации в волоконных структурах и объемных конденсированных средах фемтосекундного суперконтинуума [4-5], представляющего собой излучение с шириной спектра, охватывающей более двух октав. Подробно изучены многие процессы и построены модели распространения фемтосекундного излучения в конденсированных средах.
Фемтосекундное излучение применяется в лазерной спектроскопии в качестве широкополосного источника излучения и комб-структуры. В силу малых величин длительности и времени продольной когерентности, фесмтосекундное излучение применяется для изучения быстропротекающих физических, химических и биологических процессов. Благодаря малой величине длины продольной когерентности, оно применяется в микроскопии и оптической когерентной томографии. Кроме того, ведутся разработки методов сверхплотной оптической записи информации фемтосекундным излучением.
К сегодняшнему дню в значительной мере разработаны методы и средства генерации фемтосекундного излучения, изучены многие особенности его распространения в однородной среде. Несмотря на это, работы по изучению взаимодействия фемтосекундного излучения с дефектами и примесями в кристаллических средах изучены недостаточно.
В частности, недостаточно исследованы процессы пространственно-селективного возбуждения фемтосекундным оптическим излучением центров люминесценции в диспергирующих анизотропных средах. Когда люминесценция возбуждается короткими фемтосекундными импульсами, последние, распространяясь в диспергирующих средах, претерпевают дисперсионное расплывание как во времени, так и в пространстве. Естественно ожидать, что такое расплывание возбуждающих импульсов отразится на пространственном распределении интенсивности люминесценции, возбуждаемой в этих условиях. Этот вопрос необходимо исследовать. Особенно такие исследования актуальны для оригинальных используемых в диссертации схем возбуждения вещества парами когерентных встречных или обгоняющих друг друга лазерных импульсов. Значительный интерес представляет изучение явлений пространственно-селективного возбуждения с учетом ориентации люминесцирующих квантовых систем, особенно в случае их ориентации под углом близким к p/4 к оптической оси кристалла, когда возбуждаемая люминесценция носит пространственно периодический характер [6].
Цель диссертационной работы
Таким образом, целью данной работы является изучение пространственно периодических распределений интенсивности люминесценции диспергирующих анизотропных кристаллических сред, возбуждаемой компонентами когерентных пар обгоняющих друг друга или встречных фемтосекундных импульсов. Будет исследовано влияние дисперсионного расплывания возбуждающих импульсов на параметры локализованных пространственно-периодических структур, возбуждаемых на центрах люминесценции определенных ориентаций, задаваемых симметрией кристаллических сред.
Исследование разбито на два основных этапа:
-
Теоретическое и экспериментальное изучение пространственного перераспределения спектра рассеяния фемтосекундного излучения, для определения структуры поля возбуждающего излучения в исследуемой среде.
-
Изучение в условиях неоднородного распределения поля в среде влияния дисперсии вещества на взаимодействие: квантовые системы – фемтосекундное излучение с учетом ориентации квантовых систем.
Научная новизна работы
В данной работе изучен эффект образования цветных картин рассеяния широкополосного фемтосекундного излучения в анизотропной среде впервые экспериментально обнаруженный в ИФ ИЛФ СО РАН. Вскрыты механизмы и закономерности рассматриваемого эффекта, научно обоснована ценность спектральных и угловых зависимостей интенсивности рассеяния для определения состояния поляризации исходного излучения в объеме среды.
Проведены исследования пространственного распределения интенсивности люминесценции квантовых систем, возбуждаемых под действием встречных и обгоняющих друг друга когерентных пар фемтосекундных импульсов. При этом теоретически рассчитано пространственное изменение интенсивности люминесценции, определены зависящие и независящие от дисперсии среды характеристики поля и вещества.
Практическая значимость работы
В работе освещена проблема селективного в пространстве взаимодействия оптического фемтосекундного излучения с кристаллической средой. Рассмотрены различные механизмы создания данной селективности. Область селективного взаимодействия, в схеме встречных импульсов, как показали исследования, может быть сокращена до единиц микрон, особенно в нелинейных режимах взаимодействия. Это дает предпосылки реализовать, при использовании схемы поглощения встречных импульсов, системы плотной записи и сканирования информации в объеме среды, что актуально для научной и производственной сферы. Результаты работы также представляют интерес для поиска специальных анизотропных сред, содержащих особым образом ориентированные центры люминесценции для применения их в люминесцентных фемтосекундных интерферометрах, они могут быть использованы и в других целях.
Защищаемые положения
При возбуждении анизотропного кристалла обгоняющими друг друга фемтосекундными оптическими импульсами с ортогональными линейными поляризациями, пространственная динамика изменения состояния поляризации суммарного излучения по траектории его распространения в кристалле экспериментально определяется по спектральным и угловым зависимостям интенсивности рэлеевского рассеяния возбуждающего излучения.
При возбуждении люминесценции в объеме анизотропного кристалла парой взаимно-когерентных обгоняющих друг друга фемтосекундных импульсов с ортогональными линейными поляризациями, когда длительность излучения больше времени фазовой релаксации квантовых систем, ширина огибающей пространственной модуляции интенсивности люминесценции определяется величиной времени продольной когерентности возбуждающего излучения и не зависит от его дисперсионного расплывания.
В условиях линейного режима возбуждения центров люминесценции в кристалле встречными взаимно-когерентными фемтосекундными оптическими импульсами, входящими в кристалл с задержкой один относительно другого, дисперсия кристалла приводит к продольному смещению огибающей пространственной модуляции интенсивности возбуждаемой люминесценции, по сравнению с бездисперсионным случаем. При этом дисперсионное расплывание импульса не меняет форму и ширину огибающей модуляции интенсивности люминесценции, а также глубину ее модуляции.
Апробация результатов
Промежуточные результаты работы докладывались на следующих конференциях, симпозиумах и семинарах:
VIII Международная школа-семинар "Люминесценция и лазерная физика", посвященная 100-летию со дня рождения профессора И.А.Парфиановича, Иркутск, 2002.
12-й Международная конференция по радиационной физике и химии неорганических материалов, Томск, 2003.
Девятая всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых. ВНКСФ-9, Красноярск, 2003.
IV International Symposium on Modern problems of laser physics, Novosibirsk, 2004.
IX Международная школа семинар по люминесценции и лазерной физике, Иркутск, 2004.
Вторая интеграционная междисциплинарная конференция молодых ученых СО РАН и высшей школы, Иркутск, 2004.
Десятая всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых. ВНКСФ-10, Москва, 2004.
Международная конференция VUVS-2005, Иркутск, 2005.
Третья интеграционная междисциплинарная конференция молодых ученых СО РАН и высшей школы, Иркутск, 2005.
Материалы работы выдвигались на “Конкурс научных работ молодых ученых ИЛФ СО РАН” 2004 г. (среди аспирантских и магистрантских работ третье место), “Конкурс научных работ аспирантов и студентов ИФ ИЛФ СО РАН 2005 года” (среди аспирантов, первое место).
Диссертант принимал участие в грантах и проектах, включающих материалы диссертационной работы,
как исполнитель:
Грант РФФИ № 01-02-17690-а по теме «Когерентная фемтосекундная фотохимия квантовых систем в кристаллах с естественной и наведенной анизотропией»,
Грант РФФИ № 04-02-16733-а по теме «Аксиальная селективность взаимодействия света и вещества»,
Грант Минобразования России № Е02-3.2-501 по теме «Развитие поляризационных методов исследования кубических кристаллов, изучение ориентации и типа элементарных излучателей»,
Проект «Университеты России» № УР.01.01.009 по теме «Пространственная модуляция интенсивности люминесценции кристаллов как метод исследования мультипольности и ориентации элементарных излучателей»,
а также, как руководитель грантов:
Грант РФФИ № 03-02-06287-мас по теме «Программа поддержки молодых ученых (для проекта 01-02-17690)»
Гранты Фонда содействия отечественной науке «Лучшие аспиранты РАН 2005 г.» и «Лучшие аспиранты РАН 2006 г.» по теме «Пространственная модуляция интенсивности фотолюминесценции центров окраски в кристаллах LiF и Al2O3 возбуждаемой фемтосекундным излучением».
Публикации
Результаты работы по теме диссертации опубликованы в 20 научных публикациях, из них 5 статей в реферируемых журналах и 10 работ в прочих журналах, сборниках трудов всероссийских и международных научных конференций и симпозиумов.
Структура и объем диссертации
Рассеяние излучения, как основа метода определения пространственного распределения состояния поляризации и интенсивности поля фемтосекундного излучения в анизотропной среде
В исследованиях пространственно-периодического возбуждения люминесценции неоднородным в пространстве фемтосекундным излучением важно знать пространственную динамику изменения состояния поляризации возбуждающего излучения при его распространении в конденсированных средах, особенно в анизотропных кристаллах. При исследовании аксиальных зависимостей интенсивности люминесценции в условиях нестационарного возбуждения невозможно непосредственно получить информацию о подобных изменениях, поскольку ширина полос поглощения квантовых систем сравнима или меньше ширины спектра фемтосекундного излучения. Кроме того, люминесценция представляет собой сложное явление, связанное с поглощением и высвечиванием энергии квантовыми системами, содержащимися в исследуемой среде, их поляризацией и фазовой релаксацией. Поэтому при решении ряда задач целесообразно применять метод анализа, т.е. разбить исследование пространственно-периодического возбуждения люминесценции фемтосекундным излучением на две стадии.
Изучение закономерностей распределения поля фемтосекундного излучения в исследуемой среде. Выявление пространственной динамики характеристик поля, влияющих на пространственно-селективное взаимодействие с квантовыми системами. Эти характеристики - усредненная по времени амплитуда поля и состояние его поляризации.
Изучение пространственной динамки изменения интенсивности люминесценции квантовых систем в кристаллах, возбуждаемых излучением с величиной времени когерентности в несколько фемтосекундсекунд в условиях заранее известного распределения поля в веществе.
Целью первого этапа, изложенного в настоящей главе, является изучение рассеяния поляризованного фемтосекундного излучения в анизотропных кристаллах на примере кубических кристаллов с наведенной анизотропией. Как будет показано далее, пространственная динамика спектра рассеяния широкополосного фемтосекундного излучения несет в себе информацию о состоянии поля в исследуемой среде. Таким образом, замещая в исследуемом образце квантовые системы центрами рассеяния, мы эффективно решаем первую стадию исследования пространственно-периодического возбуждения люминесценции квантовых систем неоднородным в пространстве фемтосекундным излучением. В качестве объекта исследования выбраны кубические кристаллы, как наиболее удобные модельные среды, величиной двулучепреломления в которых можно произвольно управлять, варьируя величину приложенной механической нагрузки. Ранее исследование рассеяния света в анизотропных средах проводилось преимущественно с высококогерентным излучением, например, в работах по исследованию фотоупругости [44-49]. Особенность распространения поляризованного света в анизотропных кристаллах, заключается в том, что при определенных ориентациях кристалла, электрического и волнового векторов входящего излучения, поляризация света периодически изменяется с расстоянием, что отражается на пространственных зависимостях интенсивности рассеяния. В работе [43] расчетным путем показано, что при рассеянии спектрально ограниченных фемтосекундных импульсов в двулучепреломляющих одноосных кристаллах пространственная зависимость интенсивности рассеяния представляет собой осциллирующую затухающую функцию, а величина затухания определяется длительностью импульсов. Имеет смысл дополнить и обобщить проведенные ранее исследования для импульсного излучения произвольной формы. Также можно ожидать, что наличие дисперсии приведет дополнительно к изменению спектра рассеянного излучения, что не учитывалось в ранее проведенной работе [43]. Таким образом, в первой главе решается задача изучения пространственной динамики изменения спектра рассеяния поляризованного импульсного фемтосекундного оптического излучения в анизотропных кристаллах в схеме взаимнообгоняющих импульсов. Основное внимание уделено определению механизмам дисперсии рассеяния, для чего разработана модель процесса рассеяния для широкополосного низкокогерентного излучения и проведены экспериментальные исследования рассеяния лазерного суперконтинуума. Рассматривается взаимодействие линейно поляризованных оптических импульсов с величиной времени когерентности фемтосекундного диапазона с кубическим кристаллом, содержащим изотропные рассеивающие частицы, линейные размеры которых не превышают длину волны света (рассеяние по закону Рэлея [50]). На рассеивающих частицах оптическим излучением инициируются линейные осцилляторы - диполи, с присущей им диаграммой направленности излучения (рис. 1.4), при этом вектор электрического дипольного момента центра рассеяния совпадает с направлением колебаний электрического вектора падающего излучения. К кристаллу, вдоль оси симметрии четвертого порядка, приложено механическое напряжение. Подобные воздействия приводят к деформации кристаллической решетки, изменению компонент тензоров диэлектрической проницаемости и электрической восприимчивости и, соответственно, к возникновению двойного лучепреломления [44,51,52], т.е. кристалл становится одноосным, а направление его оптической оси совпадает с направлением действия механического напряжения. Если кристалл принадлежит к классу симметрии m3m.
Экспериментальное исследование пространственного распределения интенсивности спектра рассеяния фемтосекундного суперконтинуума в кристаллах LiF с наведенной анизотропией, моделирование цветной картины рассеяния
Перераспределение спектра рассеяния обусловлено последней компонентой в формуле (1.4), эта компонента определяет пространственно-периодический характер рассеяния. Интерференционная картина отдельной спектральной составляющей имеет постоянный период и не затухает с расстоянием, а отличие величин периодов интерференционных картин различных спектральных составляющих при их одновременном рассеянии приводит к перераспределению спектра. В таком случае можно говорить уже о дисперсии периода интерференционной картины.
Дисперсия периода интерференционной картины, как видно из выражения (1.4), определяется тремя параметрами: дисперсией показателя преломления п0 ненагруженного кристалла, дисперсией пьезооптических коэффициентов п\\ п\г и изменением значения оптической частоты со в спектре фемтосекундного импульса. Так, значение величины со изменяется в видимом диапазоне (2,5 - 510 с") в два раза. Величина п0 во всем видимом диапазоне для LiF изменяется на 2 % [45], что несоизмеримо с изменением частоты со и, значит, может не учитываться. Дисперсия упругооптических коэффициентов кристалла LiF в видимом диапазоне практически отсутствует и слабо проявляется лишь в ультрафиолетовой области [55]. Следовательно, сдвиг фаз интерференционных картин для различных спектральных компонент определяется изменением величины со.
Расчетная картина рассеяния фемтосекундного излучения в том виде, в каком она должна визуально наблюдаться в эксперименте, была получена при помощи специально разработанной программы, которая позволяла проводить все необходимые расчеты цветовых координат спектрального сигнала, и выводить их на экран в виде реальной цветной картины наблюдаемой человеком (или регистрируемой CCD камерой).
В видеосистемах используется аддитивный метод формирования цветного изображения, который основан на сложении основных цветов колориметрической системы RGB [56-59]. Данная система дает возможность количественно оценивать цвет и проводить цветовые расчеты. В частности, она позволяет установить связь между спектральными характеристиками и цветом. Три основных цвета R, G и В являются взаимно независимыми. Это означает, что ни один из них не может быть получен путем сложения (смешения) двух других. Для указанной системы выполняется основное колориметрическое уравнение [54]:
В этом уравнении [R], [G] и [В] являются единицами светового потока основных источников света - красного, зеленого и синего. Коэффициенты R, G и В являются компонентами потока F, показывающими, какое количество единиц [R], [G] и [В] необходимо взять, чтобы в сумме по яркости и цветности получить заданный световой поток F. За основные цвета для измерительных целей, как правило, принимают следующие монохроматические излучения: для R - XR = 700 нм; для G - XG = 546,1 нм и для В - Хв = 435,8 нм (спектральные линии паров ртути) [58]. В указанной системе RGB для некоторых цветов не удается получить качественное и количественное равенство при любом соотношении величин трех основных цветов. Это приводит к тому, что один из компонентов, например, красный, может войти в уравнение (2.9) с отрицательным знаком (рис. 1.9). При этом точка равноэнергетического (эталонного) белого цвета Е оказывается смещенной в сторону GR компоненты цветового пространства. В связи с этим, система RGB является несовершенной с математической точки зрения; вычисления в данной системе достаточно сложны и громоздки.
Связь системы цветовых координат XYZ с RGB системой. Треугольник с вершинами X, Y и Z формирует пространство цветов системы XYZ, в него вписывается пространство реальных цветов (заштрихованная фигура). В свою очередь, пространство системы координат RGB (фигура со сплошной заливкой), вписывается в пространство реальных цветов, в результате чего, адекватно описывает лишь часть реальных цветов [54].
С учетом указанных замечаний, все расчеты предварительно проводились для цветовой системы XYZ, которая лишена указанных недостатков. Затем, с использованием матричных преобразований, полученные цветовые координаты пересчитывались в систему RGB.
Цвет, выбранной спектральной составляющей 1Ш в спектральном интервале Асо, в цветовой системе XYZ, определяется уравнением [58]: где - х, у и z удельные координаты, показывающие в каких соотношениях нужно смешать основные цвета XYZ, чтобы воспроизвести цвета равных по интенсивности монохроматических излучений с заданной частотой со. Цвет смеси спектральных составляющих, т.е. цвет всего излучения, получим суммированием:
Численный расчет пространственного распределения интенсивности люминесценции центров окраски в А120з в поле интерферирующих встречных импульсов
Как уже отмечалось в работе ранее, пространственно-селективное возбуждение квантовых систем в кристаллической среде можно получить двумя принципиально отличающими методами. Один из этих методов был рассмотрен в предыдущей главе. Предметом настоящей главы является исследование пространственно неоднородного распределения интенсивности фотолюминесценции квантовых систем в схеме обгоняющих импульсов. Такая схема реализуется в анизотропной среде при распределении двух импульсов с совпадающими направлениями волновых векторов и ортогональными ориентациями электрических векторов. При отличающихся фазовых скоростях этих световых волн состояние поляризации суммарного светового поля периодически изменяется с расстоянием. В свою очередь, это приводит к пространственной модуляции поглощения света квантовыми системами ориентированными определенным образом относительно кристаллической решетки. Оптимальный угол ориентации таких квантовых систем, при котором модуляция имеет максимальную глубину, составляет 45 по отношению к обоим ортогональным электрическим векторам в плоскости, где они лежат. Рассматриваемый метод, описанный впервые в [73,74], реализуется в условиях отсутствия интерференции возбуждающего излучения и без образования стоячих световых волн.
При возбуждении квантовых систем низкокогерентным импульсным излучением в схеме обгоняющих импульсов размеры периодической структуры поля и, следовательно, возбужденных центров ограничиваются в пространстве. Эти структуры наводятся исключительно в области перекрытия распространяющихся осциллирующих электрических поляризаций P0(y,t) и Pe(y,t), индуцируемых, соответственно, обыкновенной и необыкновенной компонентами возбуждающего излучения; где у - как и ранее, координата в направлении распространения, t -время. В условиях, когда длительность возбуждающих импульсов ти меньше постоянных времени фазовой релаксации Т2 квантовых систем, ширина Y огибающей пространственного распределения глубины модуляции интенсивности люминесценции 1(у), определяется временем фазовой релаксации Т2 или шириной спектральной полосы возбуждения центров люминесценции [60]. Если же возбуждение некогерентное (то есть, ти Ті), как показывали расчеты, величина Y должна определяться длительностью возбуждающих фемтосекундных импульсов. Однако проведенные ранее расчеты выполнялись для спектрально ограниченных импульсов без учета их дисперсионного расплывания в конденсированной среде. Как известно, для спектрально ограниченных импульсов их длительность совпадает с величиной их времени когерентности, однако при распространении в среде это условие нарушается, вследствие того, что временная форма импульса искажается.
Вследствие дисперсионного пространственного и временного уширения компонент возбуждающих импульсов, распространяющихся в кристалле с различными скоростями, область их пространственного перекрытия увеличивается. Поэтому следует ожидать, что соответственно увеличится величина Y. Тем не менее, результатами прямых экспериментальных и расчетных исследований эти предположения опровергаются. Найдено, что, несмотря на реальное значительное расплывание возбуждающих импульсов, величина Y остается стабильной.
Исследование данного вопроса заключалось в расчетном и экспериментальном изучении пространственного профиля изменения интенсивности люминесценции квантовых систем, при учете длительности, времени продольной когерентности излучения, ориентации квантовых переходов центров люминесценции в объеме конденсированной среды. В экспериментах исследовались образцы кристаллов сапфира, которые для создания в них центров люминесценции с необходимой ориентацией, были облучены быстрыми нейтронами в ядерном реакторе. Из наведенных радиацией центров окраски были выбраны центры, обладающие желто-зеленой люминесценцией с широкой спектральной полосой, с которой сопряжена также широкая полоса поглощения, имеющая максимум на длине волны 455 нм. Информация об энергетической структуре и мультипольности переходов в этих центрах была взята из работы [71]. Полоса поглощения центров перекрывается со спектральной полосой (Лпах = 400 нм) второй гармонии излучения фемтосекундного Ті:А120з лазера, что определяет выбор, как исследуемых центров, так и источника излучения, для экспериментального исследования.
Модуляция интенсивности люминесценции ориентированных квантовых систем при дисперсионном расплывании возбуждающих фемтосекундных импульсов в реальной среде
Полученные экспериментальные данные согласуются с выражением для ширины профиля Y= стК0Г/Лп, полученного из выражения (3.5), при условии малости величины "ой). Время тког не изменяется при дисперсионном расплывании фемтосекундных импульсов при их распространении в кристаллах. Поэтому индуцированные на разных расстояниях периодические структуры имеют одинаковую продольную ширину. Также сохраняется период осцилляции, равный 50 мкм, что совпадает с величиной из выражения (3.5). Так что использованные для теоретического исследования приближения, включая приближение второго порядка теории дисперсии, позволяют адекватно описывать взаимодействие фемтосекундного излучения с реальными конденсированными средами, при условии линейных режимов взаимодействия. Связь ширины периодических структур с величиной времени когерентности, а также сам вид наблюдаемых картин очень напоминают свойства обычной интерференции света, несмотря на ее отсутствие. Это можно объяснить тем, что происходит интерференция электрических поляризаций, образованных двумя компонентами пары возбуждающих импульсов на центрах, способных поглощать энергию из обоих компонентов. Эти осциллирующие поляризации, бегущие с разными скоростями за вызвавшими их импульсами, интерферируют между собой, давая картину внешне похожую на интерференционную. Таким образом, установлено, что ширина аксиального пространственно-модулированного распределения интенсивности люминесценции, возбуждаемой внутри кристалла на заданном расстоянии от его поверхности парами обгоняющих друг друга когерентных фемтосекундных импульсов с взаимно ортогональными поляризациями, не чувствительна к дисперсионному расплыванию этих импульсов и определяется временем их продольной когерентности.
В данной работе проведено исследование процессов пространственно-селективного возбуждения ориентированных квантовых систем в диспергирующих кристаллических средах средней категории симметрии фемтосекундным лазерным излучением.
Для проведения этих исследований были разработаны два оригинальных метода возбуждения вещества взаимно-когерентными парами фемтосекундных импульсов. Первый метод — это метод возбуждения вещества в схеме обгоняющих друг друга компонентов когерентной пары фемтосекундных импульсов с ортогональными электрическими векторами, бегущих в среде в одном и том же направлении, но с разными скоростями. Применение этого метода предъявляет к возбуждаемой среде некоторые требования - её квантовые системы, взаимодействующие с излучением, должны иметь определенные специально заданные ориентации, а весь исследуемый образец должен быть правильно сориентирован по отношению к волновому и электрическому векторам компонентов когерентной пары возбуждающих импульсов. В этом методе реализуется пространственная модуляция состояния поляризации излучения в объеме среды и не происходит интерференции самих возбуждающих импульсов. Во втором методе использовалась схема возбуждения вещества встречными компонентами когерентной пары фемтосекундных импульсов с коллинеарным направлением их электрических векторов. В этом случае осуществляется модуляция амплитуды поля в объеме среды за счет интерференции встречных волн.
Полученные в ходе экспериментального исследования и компьютерного моделирования рассеяния излучения лазерного фемтосекундного суперконтинуума результаты дают возможность контролировать пространственную динамику изменения состояния поляризации различны спектральных компонент суперконтинуума при его распространении в среде. Изменение состояния поляризации фемтосекундного оптического излучения по траектории его распространения в анизотропной среде экспериментально определяется по спектральным и угловым зависимостям интенсивности рассеяния исходного излучения.
Исследования показали, что ориентация дипольных моментов квантовых переходов в случае схемы встречных импульсов, когда состояния поляризации обоих импульсов совпадают, не влияет на картину продольного распределения концентрации возбужденных центров и интенсивности их люминесценции. В то же время, в схеме возбуждения вещества обгоняющими друг друга компонентами когерентной пары фемтосекундных импульсов ориентации квантовых систем определяют глубину пространственной модуляции интенсивности люминесценции.
Установлено, что в линейном режиме возбуждения вещества дисперсия среды, вызывающая искажение профиля амплитуды импульса и его чирпирование в схеме встречных импульсов, оказывает влияние лишь на аксиальное положение области модулированной люминесценции при том, что размеры этой области, период модуляции и глубина модуляции не зависят от дисперсии. В схеме обгоняющих импульсов дисперсия среды вообще не влияет на картину продольного пространственного распределения интенсивности люминесценции. В обеих схемах ширина огибающей модуляции интенсивности люминесценции определяется временем продольной когерентности излучения, которое обратно пропорционально ширине спектра и в линейных режимах взаимодействия с веществом не изменяется.
Полученные результаты позволяют при разработке фемтосекундных лазерных технологий учесть и устранить вредное влияние дисперсионного расплывания импульсов лазерного излучения при воздействии на внутренние объемы конденсированной среды.
Похожие диссертации на Пространственная модуляция интенсивности фотолюминесценции анизотропных кристаллов, возбуждаемой фемтосекундным излучением
