ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА, 2015, том 34, № 8, с. 49-51
= ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ =
УДК 543.42
ИССЛЕДОВАНИЕ ЧЕТЫРЕХВОЛНОВОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПРИ РАСПРОСТРАНЕНИИ ФЕМТОСЕКУНДНОГО ЛАЗЕРНОГО ИМПУЛЬСА В ОКРЕСТНОСТИ РЕЗОНАНСНОГО ДУБЛЕТА РУБИДИЯ © 2015 г. А. А. Преображенская*, Д. Ю. Преображенский, А. А. Пастор, П. Ю. Сердобинцев
Санкт-Петербургский государственный университет *Е-таП: nakozina_alena@inbox.ru Поступила в редакцию 09.11.2014
В данной работе исследованы процессы когерентного вырожденного и невырожденного четы-рехволнового взаимодействия при распространении фемтосекундного лазерного импульса в атомарных парах рубидия. В случае вырожденного черырехволнового взаимодействия рассматривается механизм оптического переключения в оптически плотной резонансной среде. Взаимодействие на нелинейности третьего порядка пересекающихся под малым углом в кювете лазерных пучков приводит к нелинейному отклику в виде четвертого пучка, который возникает как результат взаимодействия двух пучков накачки и третьего, сигнального пучка лазерного излучения.
Ключевые слова: лазер, четырехволновое смешение, оптическое переключение.
Б01: 10.7868/80207401Х1508018Х
ВВЕДЕНИЕ
В нашей лаборатории в течение последних лет ведутся работы по исследованию когерентных многофотонных процессов при распространении фемтосекундных лазерных импульсов в оптически плотных парах рубидия вблизи атомарных резонан-сов. Мы полагаем, что подобные исследования закладывают основы для создания сверхбыстрых, полностью оптических переключателей [1—3] и других элементов оптоэлектроники. Такие устройства необходимы, в частности, для создания оптических и квантовых компьютеров, что является одной из наиболее важных задач современной оптики [4].
ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ
Для исследования взаимодействия лазерного излучения с резонансной средой (пары изотопи-чески чистого 87ЯЪ + 83.3 Торр буферного газа — аргона) мы использовали:
♦ фемтосекундный титан-сапфировый лазер собранный по схеме "задающий генератор — усилитель";
♦ систему формирования, задержки и фокусирования пучков;
♦ подогреваемую кювету с парами ЯЪ;
♦ систему регистрации.
Параметры лазерной системы: энергия импульса 1—5 мДж, длина волны (790 ± 20) нм, частота повторения — 10 Гц, длительность импульса — 50 фс.
Для фокусировки пучков использовалась телескопическая система, содержащая рассеивающую и фокусирующую линзу. Эта телескопическая система настраивалась таким образом, чтобы пучки лазерного излучения, пересекающиеся внутри кюветы, фокусировались позади нее. Это помогало избежать оптического пробоя среды в кювете. На входе в телескопическую систему поперечный диаметр лазерного луча составлял 8 мм, в области пересечения пучков в кювете диаметр их поперечного сечения был равен 2 мм.
Прошедшее линию формирования трех пучков и фокусирующую систему лазерное излучение проходило через поглощающую ячейку с парами рубидия, концентрацию которого контролировали и изменяли с помощью нагрева кюветы. Кювета, используемая в эксперименте, имела цилиндрическую форму длиной 100 мм и диаметром 30 мм. Она была изготовлена из пирекса и снабжена плоскопараллельными окнами на торцах. Максимальная температура нагрева кюветы составляла 600 К, однако большинство экспериментов было проведено при температуре от 400 К до 500 К, чтобы минимизировать влияние молекулярной компоненты паров рубидия, проявляющееся при высокой их плотности.
4
49
50
ПРЕОБРАЖЕНСКАЯ и др.
• « . »
Рис. 1. Изображения пучков в диаметральной плоскости, зафиксированные при помощи CCD-камеры: а — без взаимодействия, б — четырехволновое взаимодействие в случае вырожденного взаимодействия, в — четырехволновое взаимодействие в случае невырожденного взаимодействия.
Исследование спектральных характеристик прошедшего через кювету лазерного излучения осуществлялось с помощью спектрографа ДФС-8 и спектрографа Ocean Optics USB2000. Помимо этого использовалась камера Andor iDus 420, которая позволяла регистрировать излучение в диапазоне длин волн от 1 мкм и вплоть до 50 нм. Линейность фотоприемной матрицы устройства составляла 99%.
СХЕМА ВОЗБУЖДЕНИЯ
Использованный нами импульс фемтосекунд-ного лазера имеет достаточно высокую интенсивность и широкую спектральную полосу, поэтому в данном эксперименте осуществлялось возбуждение из основного 5^-состояния в вышележащие состояния, принадлежащие двум различным электронным конфигурациям:
1. Возбуждение на переходах резонансного дублета рубидия — из состояния 5S в 5Р-конфигу-рацию. При этом реализовывалась ситуация так называемого "вырожденного четырехволнового взаимодействия", при котором все четыре пучка лазерного излучения — два пучка накачки, сигнальный и предметный пучок имели одинаковые частоты и различались лишь направлением волновых векторов.
2. Двухфотонное возбуждение из состояния 5S на уровни 5.0-конфигурации. При этом возникала инверсная заселенность на переходе 5D—6P с длиной волны 5 мкм, происходило когерентное излучение с указанной длиной воны на данном переходе, а завершался процесс испусканием четвертого кванта видимой области спектра с длиной волны 420 нм (6P—5S). Этот случай называется "невырожденным четырехволновым взаимодействием".
ВЫРОЖДЕННОЕ ЧЕТЫРЕХВОЛНОВОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ
Для создания трех пучков, пересекающихся в кювете с рубидием, мы использовали специально сконструированный делитель пучка. Он был установлен после фокусирующей системы, перед входом в кювету. Для разделения пучков использовалась система двух диэлектрических зеркал на кварцевых подложках. Исходный пучок делился на три пучка. Максимальная энергия каждого пучка составляла 1 мДж. Два из этих пучков приходили в кювету и пересекались в ее центре одновременно, третий же пучок пересекал область взаимодействия с небольшой задержкой, которую можно было изменять. Два первых пучка, одновременно пересекаясь, создавали когерентную пространственную фазовую решетку, на которой дифрагировал третий пучок, порождая четвертый.
Пучки пересекались под малым углом (порядка 0.02 рад), образуя три вершины квадрата, наблюдавшиеся в перпендикулярной к направлению распространения плоскости. Дифракция третьего пучка на когерентной фазовой решетке, созданной первыми двумя пучками, образовывала четвертый пучок, наблюдавшийся в четвертой вершине квадрата (см. рис. 1а и б соответственно).
На рис. 2 изображены результаты измерения зависимости интенсивности предметного (четвертого) пучка от времени задержки между двумя пучками накачки и третьим, сигнальным пучком. На обоих графиках виден резкий максимум вблизи нулевой задержки. Сигнал ненулевой интенсивности виден также как после создания фазовой решетки (при положительных задержках), так и при отрицательных задержках, когда сигнальный импульс опережает пучки накачки, создающие решетку.
Аналогичная ситуация описана в статье [5]. Существование сигнала при отрицательных за-
ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА том 34 № 8 2015
ИССЛЕДОВАНИЕ ЧЕТЫРЕХВОЛНОВОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
51
0.2
0
Рис. 2. Результаты измерения зависимости интенсивности предметного (четвертого) пучка от времени задержки между двумя пучкам накачки и третьим сигнальным пучком. По вертикальной оси — интенсивность четвертого пучка в произвольных единицах для двух переходов резонансного дублета рубидия с длинами волн 780 (1) и 795 нм (2) соответственно. По горизонтальной оси — задержка между двумя пучками накачки (в пс), создающими пространственную фазовую решетку, и третьим сигнальным пучком.
держках объясняется большой интенсивностью и малой длительностью сигнального пучка, создающего на рассматриваемых переходах когерентную поляризацию, имеющую конечное время жизни. Эта поляризация существует вплоть до момента прихода пучков накачки, что и приводит к существованию сигнала четырехволнового взаимодействия при отрицательных задержках.
При положительных задержках виден медленно спадающий сигнал четырехволнового взаимодействия. Этот медленный спад обусловлен тем, что после прохождения импульсов накачки и релаксации когерентной поляризации остается пространственная решетка заселенности верхних (резонансных) уровней рубидия. На этой решетке заселенности и рассеивается сигнальный пучок, формируя четвертый пучок. В зависимости от задержки пучков накачки и сигнального пучка на удаленном экране регистрировались различные картины — интенсивность сигнального пучка, регистрируемого на рис. 1б, максимальна вблизи нулевой задержки и стремится к нулю при значительных положительных и отрицательных задержках (рис. 1а).
НЕВЫРОЖДЕННОЕ ЧЕТЫРЕХВОЛНОВОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ
Рисунок 1в демонстрирует результаты вышеописанного невырожденного четырехволнового смешения. Каждый пучок накачки при двухфо-тонной накачке с основного 5^-уровня на промежуточный 5^-уровень, после суперизлучающего перехода на уровень 6Р формирует коллинеарный пучок излучения видимой области с длиной волны 420 нм (6Р—5^). Далее каждая пара пучков накачки по аналогичной схеме формирует пучок с длиной волны 420 нм, распространяющийся по биссектрисе угла, образованного пучками накачки.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В представленной работе рассмотрены процессы четырехволнового когерентного вырожденного и невырожденного квазирезонансного смешения излучения фемтосекундного лазера в атомарных парах рубидия. Исследованы пространственные и временные характеристики процесса четырехволнового смешения на нелинейности третьего порядка в оптически плотных парах. Изучены как однофотонные, так и двухфо-тонные процессы накачки возбужденных состояний рубидия излучением с длиной волны 790 нм. Получены весьма малые времена затухания нелинейной поляризации, составляющие десятки пикосекунд. Подобный сверхбыстрый распад когерентной поляризации обусловлен полевыми эффектами. Обсуждается механизм формирования четырехволново-го взаимодействия как при положительных, так и при отрицательных задержках сигнального пучка по отношению к пучкам накачки.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Gibbs H.M. Optical Bistability: Controlling Light with Light. Orlando: Academic Press, 1985.
2. Maitre A., Petrossian A., Blouin A., Pinard M., Grynberg G. //
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.