Научная статья на тему 'Особенности генерации фемтосекундного спектрального суперконтинуума в кристаллических средах с c (2)-нелинейностью'

Особенности генерации фемтосекундного спектрального суперконтинуума в кристаллических средах с c (2)-нелинейностью Текст научной статьи по специальности «Физика»

CC BY
217
77
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ФЕМТОСЕКУНДНЫЕ ИМПУЛЬСЫ / FEMTOSECOND PULSES / НЕЛИНЕЙНОСТЬ C (2) / НЕЛИНЕЙНОСТЬ C (3) / ГЕНЕРАЦИЯ СУПЕРКОНТИНУУМА / SUPERCONTINUUM GENERATION / ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ ГЕНЕРАЦИЯ / PARAMETRIC GENERATION / C (2) NONLINEARITY / C (3) NONLINEARITY

Аннотация научной статьи по физике, автор научной работы — Налегаев Сергей Сергеевич, Беспалов Виктор Георгиевич, Путилин Сергей Эдуардович

Приведены результаты экспериментов по генерации суперконтинуума при возбуждении оптическими импульсами с центральной длиной волны 830 нм, длительностью 40–50 фс и энергией до 1,0–1,5 мДж. В кристалле DKDP и других кристаллах с нелинейностью c (2) зарегистрировано излучение суперконтинуума в области от 400 нм до 2200 нм, причем излучение в синей области (400–480 нм) и в ИК области (900–2200 нм) обусловлено в основном параметрическими процессами. Полученное излучение не уступает по ширине выходного спектра излучению генераторов суперконтинуума на основе микроструктурированных волокон.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по физике , автор научной работы — Налегаев Сергей Сергеевич, Беспалов Виктор Георгиевич, Путилин Сергей Эдуардович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

PHOTONICS AND OPTICAL INFORMATICS PARTICULARITIES OF FEMTOSECOND SPECTRAL SUPERCONTINUUM GENERATION IN CRYSTAL MEDIA WITH c (2)-NONLINEARITY

Results of supercontinuum generation experiments in case of excitation by optical pulses with central wavelength 830 nm, duration 40-50 fs, energy up to 1,0‑1,5 mJ are given. Supercontinuum radiation is detected in crystal DKDP and other crystals with c (2)‑nonlinearity at range from 400 nm to 1450 nm, as well as up to 2200 nm, where radiation within blue range 400–2200 nm is mainly caused by parametric processes. Obtained radiation is inferior to supercontinuum generators based on micro structured fibers by the width of output spectrum.

Текст научной работы на тему «Особенности генерации фемтосекундного спектрального суперконтинуума в кристаллических средах с c (2)-нелинейностью»

ФОТОНИКА И ОПТОИНФОРМАТИКА

УДК 535.338.1

ОСОБЕННОСТИ ГЕНЕРАЦИИ ФЕМТОСЕКУНДНОГО СПЕКТРАЛЬНОГО СУПЕРКОНТИНУУМА В КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ СРЕДАХ С х(2)-НЕЛИНЕЙНОСТЬЮ

С.С. Налегаев, В.Г. Беспалов, С.Э. Путилин

Приведены результаты экспериментов по генерации суперконтинуума при возбуждении оптическими импульсами с центральной длиной волны 830 нм, длительностью 40-50 фс и энергией до 1,0-1,5 мДж. В кристалле DKDP и других кристаллах с нелинейностью %(2) зарегистрировано излучение суперконтинуума в области от 400 нм до 2200 нм, причем излучение в синей области (400-480 нм) и в ИК области (900-2200 нм) обусловлено в основном параметрическими процессами. Полученное излучение не уступает по ширине выходного спектра излучению генераторов суперконтинуума на основе микроструктурированных волокон.

Ключевые слова: фемтосекундные импульсы, нелинейность %(2), нелинейность %(3), генерация суперконтинуума, параметрическая генерация.

Введение

Генерация белого света, или генерация спектрального суперконтинуума (СК) [1], заключается в получении оптического излучения с непрерывным или иногда дискретным спектром, ширина которого составляет обычно не менее одной октавы (т.е. частоты фурье-компонент в спектре излучения отличаются в два раза), с использованием импульсных лазеров пико- и фемтосекундной длительности. Такое спектрально уширенное излучение, как правило, является результатом нелинейного оптического пространственно-временного преобразования поля сверхкоротких лазерных импульсов высокой интенсивности в диэлектрических средах [2].

Как правило, в генераторах СК используются преимущественно среды с большей нелинейностью Х(3), однако при этом относительно малый вклад вносят параметрические процессы. Применение в качестве генераторов СК кристаллических сред, обладающих одновременно существенными нелинейностями Х(2) и %(3), позволит увеличить вклад параметрических процессов и получить более широкий выходной спектр.

Генераторы СК в настоящее время применяются в экспериментах по «pump-probe» спектроскопии [3], в оптической метрологии [4], оптической когерентной томографии [5] и др. [1]. Расширение спектра СК очень важно для технологических целей, так как одна из возможных сфер использования генерации СК, это передача информации, в том числе по оптоволоконным линиям связи, где используется ИК диапазон длин волн (1300-1600 нм). Расширение спектра СК увеличивает диапазон частот и соответственно - количество каналов передачи информации, повышая, таким образом, общую скорость передачи [6].

Следует отметить, что планомерных исследований генерации белого света при использовании нелинейно-квадратичных кристаллических сред и импульсного излучения накачки высокой плотности мощности и фемтосекундной длительности, в том числе и возможности расширения в ИК область спектра, не проводилось.

Целью настоящей работы является определение оптимальных условий генерации сверхширокополосного спектрального СК в средах с нелинейностью %(2), обладающих также существенной нелинейностью х(3), а также выявление особенностей его излучения. В качестве сред с нелинейностью %(2) использовались образцы кристаллов DKDP, KDP и LiIO3. Для сравнения были проведены измерения спектров излучения СК на образце кристалла LiF с кубическим типом решетки.

Методика проведения измерений и описание экспериментального макета

Кристаллы KDP и DKDP широко используются для генерации второй гармоники лазерного излучения, обладают высокой лазерной прочностью и достаточно высокими нелинейными коэффициентами, как %(2), так и %(3), одновременно [7]. Более высокая лучевая прочность позволила безопасно повысить плотность мощности излучения накачки (относительно других кристаллов - LiF и LiIO3), а вместе с этим и поднять эффективность преобразования в СК.

Образцы LiF были добавлены в исследуемую группу в качестве объектов сравнения, по которым можно оценить вклад квадратично-нелинейных процессов при генерации СК, так как вследствие кубической центросимметричной решетки все элементы тензора нелинейной восприимчивости второго порядка Х(2) данного кристалла равны нулю.

Кристалл LiIO3, также как и KDP или DKDP, используется для генерации второй гармоники и в параметрических генераторах, но его лучевая прочность заметно ниже, поэтому необходимо было

2

ОСОБЕННОСТИ ГЕНЕРАЦИИ ФЕМТОСЕКУНДНОГО СПЕКТРАЛЬНОГО .

уменьшать плотность мощности лазерного излучения накачки в процессе экспериментов. Поэтому одной из задач исследования было выяснение влияния интенсивности накачки на ширину спектра СК.

Под оптимальными условиями генерации в работе понимается изменение условий фазировки различных компонент СК при варьировании угла распространения преломленного луча накачки в объеме исследуемого кристалла, что осуществлялось путем поворота кристалла в двух плоскостях относительно оси накачки.

Следует отметить, что выбранные для эксперимента образцы кристаллов КЭР, ЭКЭР и ЬП03 были предназначены для генерации второй гармоники на длине волны 1,064 мкм, и для обеспечения синхронизма на центральной длине волны накачки X = 830 нм их было необходимо повернуть на легко определяемый угол [7].

Характеристики фемтосекундной лазерной системы на кристаллах сапфира, активированных титаном, использовавшиеся в экспериментах, подробно описаны в [8]. Энергия и длительность одиночного импульса составляли соответственно 1,0-1,5 мДж и 40-50 фс, а средняя мощность лазерного излучения -50-75 мВт (при частоте следования импульсов 50 Гц).

В экспериментальном макете (рис. 1) излучение накачки, приходящее слева, фокусируется линзой 1, за которой на некотором расстоянии от фокуса устанавливается исследуемый образец кристалла 3 на столике 2. Прошедшее сквозь образец излучение далее собирается линзой 4 и направляется на матовую пластинку 5, установленную в ее фокусе, после чего проходит несколько оптических фильтров 6 и попадает на вход спектрографа 7 «Л8Р-100» (диапазон измерений 0,19-1,1 мкм) или спектрографа «БРР2000-№КХ-8К-512» (0,9-2,3 мкм).

Рис. 1. Экспериментальный макет для генерации спектрального СК: 1, 4 - линзы; 2 - двухкоординатный столик-вращатель; 3 - исследуемый образец кристалла; 5 - матовая пластинка;

6 - светофильтры; 7 - спектрограф «АЭР-100» (0,19-1,1 мкм) или «ЕРР2000-1\1!РХ-8Р-512» (0,9-2,3 мкм)

Данные со спектрографов в ходе экспериментов сохранялись в памяти персонального компьютера; для минимизации погрешностей при каждом эксперименте записывалось около сотни спектров генерации СК и спектров шумового сигнала. Для обработки результатов было разработано специальное программное обеспечение, позволяющее сократить время анализа записанных данных.

Результаты эксперимента

На рис. 2 представлены графики излучения спектрального СК при использовании кристалла ЭКЭР для нескольких измеренных экспериментально углов отклонения преломленного пучка накачки относительно оптической оси кристалла. Цифрами и вертикальными линиями (со значениями длин волн) отмечены области спектра, в которых происходит процесс преобразования излучения (с отмеченными значениями длин волн) в излучение второй гармоники. При повороте кристалла изменяются условия генерации второй гармоники - фазовый синхронизм начинает выполняться для излучения на другой, смещенной (в зависимости от угла) частоте фурье-компоненты СК. На рис. 3 представлен график излучения спектрального СК для одного из углов отклонения в ИК диапазоне спектра. Аналогичные экспериментальные результаты были получены и с использованием кристалла КЭР.

Суперконтинуум, полученный при генерации с использованием кристалла ЬП03, достаточно заметно уступает выходному спектрально-уширенному излучению при использовании кристаллов КЭР и ЭКЭР как по общей ширине выходного спектра СК, так и по интенсивности в ближней ИК области

спектра, поскольку интенсивность накачки в данном случае была в 5-6 раз меньше, чем при использовании КЭР и ЭКЭР, из-за вероятности оптического пробоя поверхности кристалла.

Спектр генерации СК при использовании кристалла ЫБ также существенно уже, чем при использовании сред с выраженной квадратичной нелинейностью, как по общей ширине выходного спектра СК, так и по интенсивности в ближней ИК области спектра. Мощность излучения спектрального СК в ИК области более чем вдвое ниже, чем соответствующая мощность на выходе кристаллов КЭР и ЭКЭР, что объясняется происходящими в них процессами, основанными на %(2)-нелинейности, среди которых наибольший вклад имеют процессы параметрической генерации света, а именно - генерация разностной и суммарной частот. Более подробный анализ происходящих процессов будет представлен в следующей работе.

Рис. 2. Спектральные зависимости генерации СК от угла распространения преломленного пучка излучения накачки в объеме кристалла DKDP (энергия импульса накачки 1,0-1,5 мДж, длительность импульса 40-50 фс). Цифрами 1-4 отмечены длины волн, соответствующие генерации второй гармоники

от соответствующих фурье-компонент СК

Рис. 3. Спектр генерации СК DKDP в ИК области спектра (энергия импульса накачки 1,0-1,5 мДж,

длительность импульса 40-50 фс)

Заключение

Полученное экспериментально излучение суперконтинуума в средах с нелинейностью %(2) практически не уступает по ширине выходного спектра широко распространенным в настоящее время генераторам на основе оптических волокон различных типов. Следует отметить, что объемные нелинейно-квадратичные среды позволяют достаточно эффективно генерировать излучение суперконтинуума в синей (400-480 нм) и ИК (900-2200 нм) областях спектра, причем, изменяя угол падения накачки на кристалл, можно регулировать интенсивность суперконтинуума по спектру, выделяя отдельные спектральные полосы.

ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИКИ ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ КВАНТОВЫХ ТОЧЕК .

Использование в качестве сред для генерации кристаллов с квадратичной нелинейностью позволяет заметно расширить выходной спектр излучения (в том числе в коротковолновой области - за счет генерации второй гармоники), а также существенно повысить эффективность генерации спектрального суперконтинуума в ИК области спектра в сравнении со средами, у которых преобладает нелинейность, связанная с %(3). В связи с этим метод получения излучения сверхширокополосного спектрального суперконтинуума на основе нелинейных кристаллов %(2) имеет перспективы использования в областях современной науки и технологий, например, как источник излучения для оптической томографии, метрологии или «pump-probe» спектроскопии.

Литература

1. Alfano R.R. The Supercontinuum Laser Source: Fundamentals with Updated References. - N.Y.: SpringerVerlag, 2005. - 552 p.

2. Беспалов В.Г., Козлов С.А., Сутягин А.Н., Шполянский Ю.А. Сверхуширение спектра интенсивных фемтосекундных лазерных импульсов и их временное сжатие до одного колебания светового поля // Оптический журнал. - 1998. - Т. 65. - № 10. - С. 85-88.

3. Крылов В.Н., Беспалов В.Г., Стаселько Д.И., Лобанов С.А., Милоглядов Э.В., Seyfang G. Спектральные особенности взаимодействия разночастотных фемтосекундных импульсов света в приграничных областях керровской среды // Оптика и спектроскопия. - 2005. - Т. 99. - № 5. - С. 853-858.

4. Багаев С.Н., Денисов В.И., Захарьяш В.Ф., Каширский А.В., Клементьев В.М., Кузнецов С.А., Корель И.И., Пивцов В.С. Фемтосекундные оптические часы // Квант. электроника. - 2004. - Т. 34. - № 12. -С. 1096-1100.

5. Гуров И.П. Оптическая когерентная томография: принципы, проблемы и перспективы // Проблемы когерентной и нелинейной оптики / Под ред. И.П. Гурова, С.А. Козлова. - СПб: СПбГУ ИТМО. -2004. - С. 6-30.

6. Беспалов В.Г., Васильев В.Н., Козлов С.А., Шполянский Ю.А. Использование фемтосекундного суперконтинуума в системах сверхплотной передачи информации // Сборник статей «Оптические и лазерные технологии». - СПб: СПб ГИТМО (ТУ), 2001. - С. 214-219.

7. Дмитриев В.Г., Тарасов Л.В., Прикладная нелинейная оптика. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004. - 512 с.

8. Беспалов В.Г., Киселев В.М., Кисляков И.М. и др. Антистоксов самосдвиг и уширение спектра излучения фемтосекундного лазера в сильно поглощающей среде // Оптика и спектроскопия. - 2009. -Т. 106. - № 4. - С. 670-679.

Налегаев Сергей Сергеевич - Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет ин-

формационных технологий, механики и оптики, аспирант, fioi@inbox.ru Беспалов Виктор Георгиевич - Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, доктор физ.-мат. наук, профессор, victorbespaloff@gmail.com Путилин Сергей Эдуардович - Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кандидат физ.-мат. наук, ст. научный сотрудник, SEPutilin@yandex.ru

УДК 535.371, 537.9

ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИКИ ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ КВАНТОВЫХ

ТОЧЕК СУЛЬФИДА СВИНЦА А.П. Литвин, П.С. Парфенов, Е.В. Ушакова, А.В. Баранов

Исследованы размерные зависимости спектральных и кинетических параметров люминесценции квантовых точек сульфида свинца в широком спектральном диапазоне (0,8-2 мкм). Зарегистрированные времена жизни лежат в диапазоне 0,25-2,7 мкс и уменьшаются с увеличением размера нанокристалла. Для объяснения больших времен жизни люминесценции рассмотрена трехуровневая модель с энергетическим уровнем в запрещенной зоне. Показано, что аномальная размерная зависимость времен жизни люминесценции может быть связана с существованием переходов как с понижением, так и повышением энергии при комнатной температуре. Ключевые слова: квантовые точки, люминесценция, ближний ИК диапазон, времена жизни.

Введение

В последние несколько лет интенсивно исследуются квантовые точки (КТ) узкозонных полупроводников, в частности, КТ сульфида свинца (РЪ8). Оптические переходы в КТ РЪ8, в зависимости от размера КТ, охватывают как видимую, так и всю ближнюю инфракрасную (ИК) область спектра. Это объясняет тот факт, что КТ РЪ8 являются многообещающим материалом для использования в самых раз-

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.