Оптическая спектроскопия примесных кристаллов на основе явлений фотонного эха и параметрического рассеяния света

Разработка новых методов оптической когерентной спектроскопии, наряду с развитием уже известных её режимов для спектроскопического изучения более сложных объектов, является по прежнему актуальным направлением современной оптики, относящемся к разделу 2.3 «Основных направлений фундаментальных исследований РАН на период 2007;2011 г. г.». В этом же русле находится одна из базовых тем Казанского ФТИ КНЦ РАН: «Фундаментальные проблемы функционирования фазовой памяти на основе явлений типа фотонного эха и сверхизлучения в примесных кристаллах и нанообъек-тах и разработка оптимальных режимов использования неклассического света в квантовых устройствах», в рамках выполнения которой проводились исследования по представленной кандидатской диссертации. Подчеркнем, что тематика фотонного эха (ФЭ), предсказанного в Казани, и оптическая эхо-спектроскопия являются традиционными для казанской оптической школы. По этой теме написано несколько книг, масса статей и проведен ряд всероссийских и международных конференций. Поэтому уже при постановке темы: диссертации трудно было ожидать принципиально новых результатов. Тем не менее некоторые из них все же были получены, благодаря использовавшейся аппаратуре. Речь идет о наблюдении модуляции огибающей сигнала ФЭ, вызванной сверхтонким взаимодействием изотопа «хром-53» в рубине, и об обнаружении некогерентного фотонного эха в концентрированном рубине при широкополосном возбуждении, которое возникает из-за использования оптического волокна. Хорошо известно, что ФЭ относится к классу оптических резонансных переходных явлений, формирующихся в условиях, когда длительность возбуждающих лазерных импульсов и времена между ними короче характеристических времен необратимых релаксаций. Сигнал двухимпульсного ФЭ, известный как первичное фотонное эхо (ПФЭ), испускается резонансной средой в момент времени, равный удвоенному интервалу времени между импульсами, в направлении волнового вектора к = 2&2 — где к и — волновые векторы возбуждающих импульсов. С ростом интервала между импульсами интенсивность ПФЭ испытывает спад (иногда, -экспоненциальный) с характеристическим временем спада, известным как время фазовой памяти. Нередко кривая этого спада оказывается модулированной и анализ этой модуляции позволяет находить параметры взаимодействий, вызвавших её. В особых случаях модулированной оказывается огибающая ПФЭ и именно эти случаи будут проанализированы в данной диссертации. Оптические эхо-эксперименты в диссертации были поставлены в наносекундном диапазоне длительностей. Как правило, такая аппаратура не позволяет измерять времена оптических дефазировок, хотя бы в субнаносе-кундном диапазоне. Но существует способ реализации пикосекундной эхо-спектроскопии на напосекундной экспериментальной установке, состоящий в использовании широкополосных лазерных источников. Широкополосность лазерного изучения может быть достигнута и за счет подачи его к исследуемому образцу по оптическому волокну. Использование оптоволокон важно и с практической точки зрения для создания оптических волоконных эхо-процессоров. Особенности возбуждения сигналов ФЭ такими широкополосными импульсами на примере концентрированного рубина также исследованы в представленной диссертации.

И, наконец, в третьей, наиболее значимой, части диссертации обсуждаются базовые эксперименты по становлению нового типа спектроскопии — би-фотонной спектроскопии. В её основе лежит представление о бифотоне, под которым понимается пара сильно коррелированных фотонов, рожденных в нелинейном кристалле в процессе спонтанного параметрического рассеяния (СПР) света. Волновые векторы и частоты этих фотонов удовлетворяют законам сохранения энергии и импульса. Обычно рождение коррелированной пары фотонов («сигнального» и «холостого») можно обнаружить в интерферометре Брауна-Твисса (ИБТ) с помощью фотодетекторов, сигналы с которых поступают в схему совпадений, причем на наличие этой пары (т.е. бифотона) указывает факт одновременного совпадения в приходе сигнально.

1 б го и холостого фотонов. При этом наличие холостого фотона в одном плече ИБТ однозначно свидетельствует об одновременном существовании сигнального фотона в другом плече. Если же в одном плече интерферометра установить исследуемый образец, поглощающий сигнальные фотоны, то это мгновенно скажется на скорости счета совпадений, поведение которой точно соответствует спектру поглощения образца. В представленной диссертации сказанное экспериментально продемонстрировано на примере кристаллов А12Оъ: Сг3+ и YAG: Ег3+ .

В целом, автор диссертации имел своей целью продемонстрировать на примерах решения вышеуказанных научных проблем уровень своей научной квалификации.

Актуальность диссертационного исследования. Данная диссертация посвящена экспериментальному исследованию новых режимов оптической спектроскопии примесных кристаллов. В основе этих режимов лежат явления фотонного эха (включая некогерентное) и параметрическое рассеяние света. Общим, объединяющим свойством этих режимов является переход от частотных измерений исследуемых оптических спектров к временным. Разработка новых режимов оптической спектроскопии, безусловно, актуальна. Так, выяснение новых возможностей модуляционной оптической эхо-спектроскопии является важным вкладом в когерентную спектроскопию примесных кристаллов. Экспериментальное же исследование некогерентного фотонного эха и его применение в оптической спектроскопии позволит, в перспективе, исследовать быстропротекающие и случайные процессы в примесных кристаллах без использования дорогостоящей фемтосекундной и пи-косекундной лазерной техники. К тому же активное использование в этих исследованиях оптических волокон представляется ценным для дальнейших сопряжений оптических эхо-процессоров с оптическими волоконными линиями. И, наконец, разрабатываемая в диссертации оптическая бифотонная спектроскопия является новым методом спектроскопии, обладающим помехоустойчивостью и универсальностью. К тому же создание в России еще одного центра по исследованию и применению бифотонов (наряду с аналогичным центром на физическом факультете Московского госуниверситета) будет способствовать развитию этого нового направления квантовой оптики в нашей стране.

Поэтому проведенные в данной диссертации экспериментальные исследования являются актуальными.

Целью данной диссертационной работы является экспериментальное исследование новых и развитие известных режимов оптической эхо-спектроскопии и бифотонной спектроскопии примесных кристаллов (на примере кристаллов рубина и иттрий-алюминиевого граната с трехвалентным эрбием).

Основные задачи диссертации состоят в следующем:

— экспериментальное исследование модуляции временной формы и кривых спада фотонного эха в естественном и обогащенном (только изотопом «хром-53») кристаллах рубина и получение информации о периоде модуляции, обязанной сверхтонкому взаимодействию валентных электронов со своим собственным ядром;

— экспериментальный поиск явления некогерентного фотонного эха в рубине в условиях подачи первого возбуждающего лазерного импульса по оптическому волокну и использование этого явления в эхо-спектроскопии;

— постановка первых экспериментов по бифотонной оптической спектроскопии на примере кристаллов AI2O3: Сг3+ и YAG: Ег3+ и доказательство помехоустойчивости нового способа спектроскопии по сравнению с традиционными способами.

Научная новизна:

1. Впервые экспериментально обнаружена модуляция временной формы первичного фотонного эха в рубине с периодом модуляции в несколько десятков наносекунд. Эксперименты, поставленные на образце рубина, легированном только ионами изотопа 53Сг3+, дают основание считать, что обнаруженная модуляция формы обязана сверхтонкому взаимодействию валентных электроновионов изотопа 53Сг3+ со своим собственным ядром.

2. Впервые поставлены оптические эхо-эксперименты на образце рубина, легированном только ионами изотопа э3Сг3+, и исследованы сигналы первичного и стимулированного фотонного эха, а также их кривые спада, как при наличии слабого магнитного поля, так и в его отсутствии. Из кривых спада эхо-сигнала установлены значения времен фазовой релаксации.

3. Впервые, па примере кристалла рубина, наблюдено и исследовано некогерентное фотонное эхо (НФЭ) в условиях, когда один из возбуждающих лазерных импульсов подавался к образцу по оптическому волокну. Изучены особенности спектра сигналов НФЭ в концентрированном рубине и снята кривая спада, с помощью которой получено значение времени фазовой релаксации.

4. Впервые обоснован и экспериментально реализован (на примере кристаллов AI2O3: Сг3+ и YAG: Ет3+) новый способ оптической спектроскопии, использующий частотно-коррелированные пары фотонов, рождающиеся в процессе спонтанного параметрического рассеяния света. Снятые оптические спектры находятся в полном согласии со спектрами, полученными на обычных спектральных приборах, но в отличие от них, обладают высокой помехоустойчивостью.

Практическая и научная ценность:

1. Проведенные исследования вносят существенный научный вклад в развитие оптической эхо-спектроскопии, а полученная информация о времени фазовой релаксации (особенно, — в обогащенном рубине) имеет научную ценность.

2. Экспериментальное наблюдение НФЭ с использованием оптического волокна проведено впервые и может представлять практическую ценность при сопряжении оптических эхо-процессоров с оптическими волоконными линиями передачи информации.

3. Бифотонная спектроскопия и аппаратура по ее реализации могут стать основой нового типа помехоустойчивых оптических спектрометров для исследования объектов, «чувствительных» к использованию интенсивного света и «требующих» применения режима счета фотонов.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Кристалл рубина (как с естественным содержанием изотопов хрома, так и специально обогащенный изотопом «хром-53») при температуре жидкого гелия в условиях двухимпульсного резонансного воздействия (на длине волны 693,4 нм) лазера на красителе излучает сигнал первичного фотонного эха, временная форма которого испытывает биения, обязанные сверхтонкому взаимодействию неспаренных электронов ионов хрома 53CV3+ с собственным ядром. Модернизированная установка фотонного эха, включающая в себя лазер на красителе, фотоприемник и стробоскопический осциллограф, позволяет надежно детектировать эхо-сигналы и биения их формы.

2. Высокообогащенный кристалл рубина при температуре жидкого гелия в условиях резонансного воздействия (на длине волны 693,4 нм) на него двух лазерных импульсов, один из которых был подан к образцу по оптоволокну, излучает (в обращенном режиме) сигнал некогерентного фотонного эха. Созданная экспериментальная установка позволяет исследовать спектр этого эхо-сигнала и кривую спада, а также определять время фазовой релаксации (98±4 не).

3. Бифотонная оптическая спектроскопия позволяет получать достоверную информацию о спектрах поглощения (например, AI2O3: Сг3+ и YAG: Ег^+). Создан бифотонный оптический спектрометр, работающий в режиме счета фотонов и характеризующийся высокой помехоустойчивостью.

Достоверность экспериментальных результатов обеспечивается надежностью используемых экспериментальных методов, высокой точностью измерений, тщательностью обработки полученных экспериментальных данных и воспроизводимостью получаемых результатов.

Апробация работы: Основные результаты диссертационной работы докладывались на конференциях молодых ученых КФТИ КНЦ РАН (Казань, 2003 г., 2004 г., 2005 г., 2006 г., 2007 г.), на Всероссийской Школе «Когерентная оптика и оптическая спектроскопия» (Казань, 2003 г., 2004 г., 2005 г., 2006 г.), на VIII международном симпозиуме по фотонному эхо и когерентной спектроскопии (Калининград, 2005), на всероссийской конференции «Концепции симметрии и фундаментальных полей в квантовой физике XXI века» (Самара, 2005 г.), на международной конференции «Лазерная физика и применение лазеров» (Минск, 2003 г.), на Четвертом и Пятом всероссийских семинарах памяти Д. Н. Клышко (Москва, 2005 г., 2007 г.), на IX и X Международных Чтениях по квантовой оптике (Санкт-Петербург, 2003 г., Самара, 2007), на физических семинарах КФТИ КазНЦ РАН и семинарах лаборатории нелинейной оптики этого института.

Тематика диссертации связана с одной из базовых тем КФТИ КазНЦ РАН: «Фундаментальные проблемы функционирования оптической фазовой памяти на основе явлений фотонного эха и сверхизлучения в примесных кристаллах и нанообъектах и разработка оптимальных режимов использования неклассического света в квантовых устройствах». Эти исследования были связаны также с работами по Программам Президиума РАН «Квантовая макрофизика» и ОФН РАН «Оптическая спектроскопия и стандарты частоты», по грантам РФФИ № 05−02−16 169а и № 05−02−16 003а. Индекс основного направления фундаментальных исследований: 2.3.

Структура диссертации: Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Во Введении указана и обоснована актуальность выбранной научной темы, сформулирована цель диссертации, приведены защищаемые научные положения и отмечена научная новизна.

Выводы из результатов диссертации.

1. На основании экспериментального анализа временной формы сигнала ОФЭ (в естественном и легированном только ионами изотопа «хром-53») установлено, что она испытывает биения, период которых соответствует частоте сверхтонкого взаимодействия валентных электронов 53Сг3+ со своим собственным ядром. Это позволяет находить значения этих частот (так, периоду биений 37 нс соответствует частота сверхтонкого взаимодействия z/=27 МГц).

2. Использование оптических волокон в оптических эхо-экспериментах, хотя и создает технические трудности при вводе лазерных импульсов в исследуемый образец, но все же позволяет получать надежные эхо-сигналы и измерять их кривые спада. Это дает возможность в дальнейшем осуществлять сопряжение оптических эхо-процессоров с оптоволоконными линиями передачи информации, а также с волоконными оптическими головками считывания [84].

3. В данной диссертации осуществлено становление нового метода оптической спектроскопии примесных кристаллов — бифотонной спектроскопии, обладающей высокой помехоустойчивостью. Поскольку детектирование оптических спектров в данном методе проводится в режиме счета одиночных фотонов, то он может оказаться ценным для спектроскопического исследования биологических объектов, весьма чувствительных к воздействию интенсивного света.

По результатам диссертации опубликована 24 работы [Al]- [А24], 10 из которых вышли в журналах, рекомендованных ВАК.

В заключение приношу искреннюю благодарность своему научному руководителю, профессору, доктору физико-математических наук В.В. Самарце-ву, за предоставленную тему, постоянное внимание и помощь работе. Автор считает своим долгом выразить глубокую признательность А. А. Калачеву, А. М. Шегеде, А. А. Калинкину, Д. А. Калашникову, К. Р. Каримуллину, совместно с которыми была выполнена часть экспериментов и полезные обсуждения полученных результатов, а также С. В. Петрушкину, В. А. Зуйкову и всем сотрудникам лаборатории нелинейной оптики за помощь и цепные советы.

Список авторской литературы.

Al] Shkalikov, A.V. Detection of satellites of primary photon echo in ruby / V.V. Samartsev, A.M. Shegeda, A.V. Shkalikov, V.A. Zuikov. // Laser Physics. -2003. -V.13. -P.147−149.

A2] Шкаликов, А. В. Оптическая спектроскопия с помощью бифотонов / А. А. Калачев, А. А. Калиикин, В. В. Самарцев, А. В. Шкаликов. // Известия РАН сер.физ. -2006. -Т.70. -С. 480−483.

A3] Shkalikov, A.V. Incoherent backward photon echo in ruby upon excitation through an optical fiber / V.V. Samartsev, A.M. Shegeda, A.V. Shkalikov, K.R. Karimullin, T.G. Mitrofanova, and V.A. Zuikov. // Laser Physics Letters. -2007. -V.4. -№ 7. -P.534−537.

A4] Shkalikov, A.V. Biphoton spectroscopy of YAG: Er3+ crystal / A.A. Kalachev, D.A. Kalashnikov, A.A. Kalinkin, T.G. Mitrofanova, V.V. Samartsev, A.V. Shkalikov. // Laser Physics Letters. -2007. -V.4. -№ 10. -P. 722−725.

A5] Шкаликов, А. В. Квантовая спектроскопия с помощью частотно коррелированых пар фотонов / А. А. Калачев, Д. А. Калашников, А. А. Калинкин, В. В. Самарцев, А. В. Шкаликов. // Ученые записки КГУ, физ.-мат.науки. -2007. -Т.149. -кн.1. -С.58−63.

А6] Шкаликов, А. В. Некогерентное фотонное эхо в рубине в условиях транспортировки возбуждающих импульсов по оптоволокну / В. А. Зуйков, К. Р. Каримуллин, Т. Г. Митрофанова, В. В. Самарцев,.

А.М.Шегеда, А. В. Шкаликов. // Ученые записки КГУ, физ.-мат.науки. -2007. -Т. 149. -кн.1. -С.41−50.

А7] Шкаликов, А. В. Особенности кинетики спада интенсивности стимулированного фотонного эха в рубине, обогащенном только ионами изто-па «хром-53п/ В. В. Самарцев, A.M. Шегеда и А. В. Шкаликов. // Ученые записки КГУ, физ.-мат.науки. -2008. -Т. 150. -кн.1. (В печати).

А8] Шкаликов, А. В. Обязанная сверхтонкому взаимодействию модуляции формы сигналов первичного и стимулированного фотонного эха в рубине в постоянном магнитном поле / В. В. Самарцев, A.M. Шегеда, А. В. Шкаликов, В. А. Зуйков, И. З. Латыпов и Т. Г. Митрофанова. // Ученые записки КГУ, физ.-мат.науки. -2008. -Т.150. -кн.1. (В печати).

А9] Шкаликов, А. В. Поисковые исследования сателлитов первичного фотонного эха в рубине / В. В. Самарцев, A.M. Шегеда, А. В. Шкаликов, В. А. Зуйков. //VI Молодежная Научная Школа «Когерентная оптика и оптическая спектроскопия»: сб. науч. тр./ Казань. Гос. ун-т. -2002. -С.305−310.

А10] Шкаликов, А. В. Экспериментальная устновка для исследования интерференции четвертого порядка между независимыми бифотонами /.

A.В. Шкаликов. // VII Молодежная Научная Школа «Когерентная оптика и оптическая спектроскопия»: сб. науч. тр./ Казань. Гос. ун-т. -2003. -С.391−395.

All] Шкаликов, А. В. Сателлиты первичного фотонного эха в рубине /.

B.А.Зуйков, В. В. Самарцев, А. М. Шегеда, А. В. Шкаликов. // Конференция молодых ученых КФТИ КНЦ РАН: сб. науч. тр. под ред.

C.В.Петрушкина и А. Р. Мурсалимова / Казань. КФТИ КНЦ РАН. -2003. -С.44−51.

А12] Шкаликов, А. В. Обнаружение сателлитов первичного фотоного эха в рубине / В. В. Самарцев, A.M. Шегеда, А. В. Шкаликов, В. А. Зуйков. в кн.: Лазерная физика и применение лазеров (Материалы международной конференции под ред. Н.С.Казака) / Минск. ИФ НАНБ, -2003. -С.147−149.

А13] Shkalikov, A.V. Experimental discovery of the primary photon echo’s satellites in ruby / V.V. Samartsev, A.M. Shegeda, A.V. Shkalikov, V.A. Zuikov. // In: Book of abstracts of 12-th International Laser Physics Workshop Hamburg: Germany, August 25−29,2003)/ Hamburg. DFG-institute. -2003. -P.43.

A14] Шкаликов, А. В. Особенности детектирования бифотонных полей при спонтанном параметрическом рассеянии света / А. В. Шкаликов, Д. А. Калашников, А. А. Калинкин, В. В. Самарцев. // Конференция молодых ученых КФТИ КНЦ РАН: сб. науч. тр. под ред. С. В. Петрушкина и А. Р. Мурсалимова / Казань. КФТИ КНЦ РАН. -2004. -С.88−94.

А15] Шкаликов, А. В. Световое (фотонное) эхо в рубине: современиое состояние исследований в Казанском физико-техническом институте РАН и обнаружение сателлитов первичного эха / В. В. Самарцев, A.M. Шегеда, А. В. Шкаликов, В. А. Зуйков. // В сб. «Нелинейные динамические процессы» /Владивосток. Дальнаука. -2004. -С. 130−140.

А16] Шкаликов, А. В. Спектроскопия в режиме счета фотонов /.

A.В.Шкаликов, А. А. Калинкин, Д. А. Калашников, А. А. Калачев,.

B.В.Самарцев. // Конференция «Концепции симметрии и фундаментальных полей в квантовой физике XXI века» / Самара. СамГУ. -2005. -С.101−102.

А17] Шкаликов, А. В. Использование лавинных фотодиодов для детектирования бифотонов / А. В. Шкаликов, Д. А. Калашников, А. А. Калинкин, В. В. Самарцев. // Конференция молодых ученых КФТИ КНЦ РАН: сб. науч. тр. под ред. А. Р. Мурсалимова и С. М. Хантимерова / Казань. КФТИ КНЦ РАН. -2006. -С.63−67.

А18] Шкаликов, А.В. К вопросу о распространении импульсов малой площади через оптически плотные среды / А. В. Шкаликов, А. А. Калинкин, А. А. Калачев, В. В. Самарцев. // В сб. X Молодежная Научная Школа «Когерентная оптика и оптическая спектроскопия» / Казань. КГУ. -2006. -С.181−184.

А19] Shkalikov, A.V. Optical spectroscopy using biphotons / A.A. Kalachev, A.A. Kalinkin, V.V. Samartsev, A.V. Shkalikov. // Proceedings of SPIE (ed. by V.V.Samartsev) / -2006. -V.6181. -P. 618 109.

A20] Шкаликов, А. В. Генерация узкополосных бифотонов в оптическом параметрическом осцилляторе / А. А. Калачев, Д. А. Калашников, А. А. Калинкин, В. В. Самарцев, Ю. З. Фаттахова, А. В. Шкаликов. //В кн. «Когерентная птика и оптическая спектроскопия «сб. науч. тр. под ред. М. Х. Салахова и В. В. Самарцева. / Казань. КГУ. -2007. -С.134−137.

А21] Шкаликов, А.В. О возможности детектирования сверхтонкой структуры ионов 11 хром-53 «в рубине на временной форме сигнала фотонного эха / И. З. Латыпов, Т. Г. Митрофанова, К. Р. Каримуллин, В. А. Зуйков, А. В. Шкаликов, А. М. Шегеда, В. В. Самарцев. //В кн. «Когерентная птика и оптическая спектроскопия» сб. науч. тр. под ред. М. Х. Салахова и В. В. Самарцева. / Казань. КГУ. -2007. -С.151−154.

А22] Shkalikov, A.V. Modulation of a photon echo form of trivalent ions «Cr-53» / I.Z.Latypov, T.G.Mitrofanova, V.V.Samartsev, A.M.Shegeda, A.V.Shkalikov. // Proceedings of SPIE (ed. by V.V.Samartsev) / -2008. -V.7204.

A23] Шкаликов, А. В. Бифотонная спектроскопия кристалла рубина / А. А. Калачев, Д. А. Калашников, А. А. Калинкин, Т. Г. Митрофанова, В. В. Самарцев, А. В. Шкаликов. // Ученые записки КГУ, физ.-мат.науки. -2008. -Т. 150. -кн.1. (В печати).

А24] Shkalikov, A.V. Photon echo in ruby doped only by 53Cr isotope ions / V.V. Samartsev, A.M. Shegeda, A.V. Shkalikov, T.G. Mitrofanova. // Laser Physics Letters. -2008. -V.5. -P.603−607.

Заключение

.

В данной диссертации проведено комплексное научное исследование ряда актуальных взаимосвязанных задач оптической спектроскопии примесных кристаллов. В ходе их решения были получены следующие существенные научные результаты: