научная статья по теме НЕЛИНЕЙНО-ОПТИЧЕСКАЯ КОНВЕРСИЯ В СИНТЕТИЧЕСКИХ ОПАЛОВЫХ МАТРИЦАХ Химия

Текст научной статьи на тему «НЕЛИНЕЙНО-ОПТИЧЕСКАЯ КОНВЕРСИЯ В СИНТЕТИЧЕСКИХ ОПАЛОВЫХ МАТРИЦАХ»

УДК 535.361

НЕЛИНЕЙНО-ОПТИЧЕСКАЯ КОНВЕРСИЯ В СИНТЕТИЧЕСКИХ

ОПАЛОВЫХ МАТРИЦАХ © 2015 г. В. С. Горелик*, К. И. Зайцев**, В. Н. Моисеенко***, С. О. Юрченко**, И. Н. Алиев**

*Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук, Москва **Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана ***Днепропетровский национальный университет им. О. Гончара, Украина e-mail: gorelik@sci.lebedev.ru Поступила в редакцию 17.09.2014 г.

Выполнено экспериментальное исследование процессов генерации третьей оптической гармоники в синтетических опаловых матрицах. В качестве возбуждающего излучения использованы сверхкороткие (~10-13с) импульсы лазерной генерации (X = 1026 и 513 нм), следующие с высокой частотой повторения (105Гц) и характеризующиеся высокой мощностью (до 1 ГВт) при малой энергии в импульсе (10-5 Дж). Обнаружено, что интенсивность третьей оптической гармоники существенно зависела от диаметра глобул опаловой матрицы, задающего спектральное положение стоп-зон в глобулярных фотонных кристаллах, создаваемых на основе опаловых матриц. Максимальная эффективность нелинейно-оптической конверсии возбуждающего излучения в третью оптическую гармонику наблюдалась в случае близости длины волны возбуждающего излучения или оптической гармоники к спектральному положению стоп-зоны фотонного кристалла. Такая закономерность объясняется существованием приповерхностных фотонных (таммовских) состояний оптического поля в глобулярных фотонных кристаллах в спектральной области, соответствующей стоп-зоне фотонного кристалла. Присутствие фотонных таммовских состояний приводит к формированию локализованных вблизи поверхности фотонного кристалла областей высокой спектральной интенсивности излучения. В результате существенным образом повышается эффективность процессов нелинейно-оптической конверсии, в частности, генерации третьей оптической гармоники в цен-тросимметричном материале опаловой матрицы.

DOI: 10.7868/S0002337X15050024

ВВЕДЕНИЕ

Фотонно-кристаллические структуры являются сравнительно новыми объектами физических исследований и характеризуются пространственно-периодическими изменениями оптических свойств [1—4]. Наличие периодических неодно -родностей оптических свойств среды, имеющих сопоставимый с длиной волны излучения период, приводит к существенной перестройке дисперсионных кривых электромагнитных волн и образованию разрешенных и запрещенных фотонных зон (стоп-зон) [5, 6]. Характерными примерами одномерного фотонного кристалла являются многослойные диэлектрические зеркала и оптические брэгговские отражатели. Двумерные фотонные кристаллы используются для создания высокоэффективных волноводов и микроструктурированных волокон [7—11], для повышения эффективности нелинейно-оптических процессов [12—20], а также для накачки активных сред при получении лазерной генерации [21, 22].

Примером трехмерного фотонного кристалла является опаловая матрица, состоящая из плот-ноупакованных сферических глобул кремнезема (8Ю2), размеры которых могут варьироваться в

диапазоне 200—700 нм. Упорядоченные в пространстве глобулы кремнезема формируют глобулярный фотонный кристалл. Существуют как естественные, так и искусственные опаловые фотонно-кристаллические матрицы. Последние выращиваются в лабораторных условиях с использованием методов коллоидной химии. Возможна целенаправленная модификация оптических свойств фотонного кристалла и его дисперсионных кривых за счет изменения диаметров глобул или введения наполнителей в поры, расположенные между глобулами [23—25]. Наличие разрешенных и запрещенных зон в фотонных кристаллах позволяет использовать их для решения широкого круга задач.

Эффекты перестройки спектра электромагнитных волн в глобулярных фотонных кристаллах открывают возможности для реализации новых оптических явлений в объеме фотонного кристалла. Кроме того, в глобулярных фотонных кристаллах следует ожидать особенностей оптических свойств в приповерхностной области образцов. Такие особенности поверхностных состояний электромагнитного поля в глобулярных фотонных кристаллах изучались в теоретических работах [26—29], в которых проводилась аналогия между классическими поверхностными электронными состояниями

I, отн. ед.

400 600 800 1000 1200 1400

X, нм

Рис. 1. Нормированные спектры отражения от поверхности (111) глобулярного фотонного кристалла при различных диаметрах глобул: 220 (1), 260 (2), 290 (3), 600 нм (4).

Тамма и Шокли в твердом теле и поверхностными состояниями фотонов в фотонном кристалле. В работах [30, 31] путем численного моделирования установлено, что при взаимодействии света с поверхностью двумерного фотонного кристалла имеет место когерентное искажение волнового фронта света и возникает эффект структурной фокусировки света (перераспределение интенсивности оптического излучения внутри объема фотонного кристалла и в латеральных направлениях). Это приводит к резкому возрастанию локальной интенсивности в приповерхностной области фотонного кристалла.

Области высокой интенсивности оптического поля могут быть локализованы как в кварцевых глобулах, так и между глобулами, обеспечивая высокую эффективность процессов нелинейно-оптической конверсии возбуждающего излучения как для параметрических процессов ("down"-конверсии) [32, 33], так и для генерации высших оптических гармоник ("ир"-конверсии). В результате численного анализа установлено, что наибольшая эффективность процессов нелинейно-оптической конверсии осуществляется в случае совпадения длины волны излучения накачки ХР со спектральным положением Х1Ю стоп-зоны фотонного кристалла. Таким образом, актуальной задачей является экспериментальное исследование зависимости эффективности процессов нелинейно-оптической конверсии от длины волны ХР возбуждающего излучения и ее положения относительно длины волны Хве центра стоп-зоны фотонного кристалла.

Цель работы — экспериментальное исследование эффективности генерации третьей оптической

гармоники в фотонно-кристаллических опаловых кремнеземных (8Ю2) матрицах с различными диаметрами глобул в зависимости от положения длины волны возбуждающего излучения относительно стоп-зоны соответствующих фотонных кристаллов. Для повышения эффективности процессов нелинейно-оптической конверсии в фотонном кристалле и обеспечения неразрушающего режима работы для генерации оптических гармоник использовали сверхкороткие лазерные импульсы, характеризующихся высокой интенсивностью и малой энергией в каждом импульсе.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

При исследовании эффективности генерации третьей оптической гармоники изучали четыре образца опаловых глобулярных фотонных кристаллов с диаметрами глобул d = 220, 260, 290 и 600 нм. На рис. 1 представлены полученные спектры отражения широкополосного оптического излучения от естественной поверхности роста (111) опаловых матриц при различных диаметрах d глобул. Для получения спектров отражения использовали волоконно-оптическую методику [34], обеспечивающую направление распространения как падающего, так и отраженного излучений, близкое к нормали поверхности (111) фотонного кристалла. Наблюдаемые резкие полосы отражения соответствуют спектральным положениям Х1Ю стоп-зон исследуемых образцов. Как видно из этого рисунка, с увеличением диаметра происходит сдвиг спектрального положения стоп-зоны в сторону больших длин волн. Такой эффект согласуется с известной формулой Брэгга, которую можно использовать в рамках одномерной модели глобулярного фотонного кристалла для кристаллографического направления [111]:

¡2

2апе{ = 2^йпе{ = тХт; т = 1, 2, ... ^ пе{ = Щ п + п2 (1 - п).

Здесь а = й — период кристаллической решетки фотонного кристалла в направлении [111], П = 0.74, П]2 = 1.362 — квадрат показателя преломления глобул кремнезема, п22 = 1 (квадрат показателя преломления воздуха), п^ — квадрат эффективного показателя преломления фотонного кристалла. Расчеты значений Хш при т = 1 с учетом разброса диаметров глобул в реальном фотонном кристалле дают значения близкие к экспериментально наблюдаемым.

Для изучения эффективности генерации третьей оптической гармоники использовали экспе-

НЕЛИНЕЙНО-ОПТИЧЕСКАЯ КОНВЕРСИЯ

475

риментальную установку, принципиальная схема которой представлена на рис. 2.

В качестве возбуждающего излучения применяли линии генерации фемтосекундной лазерной установки PHAROS 4W, позволяющие работать как на основной длине волны кристалла Yb : KGW (1026 нм), так и на длинах волн второй (513 нм) и третьей (342 нм) оптических гармоник. При проведении экспериментов использовали излучение основной частоты (1026 нм) и второй оптической гармоники лазерной установки. Фемтосекундное лазерное излучение основной частоты или второй оптической гармоники фокусировали на поверхности (111) фотонного кристалла широкоапер-турной линзой в область ~10 мкм. При длительности импульса в 250 фс и частоте следования импульсов в 200 кГц пиковая мощность излучения основной гармоники на выходе фемтосекундного лазера составляла ~0.1 ГВт. За счет жесткой фокусировки излучения на поверхности образца достигали плотности мощности излучения на поверхности фотонного кристалла ~1.0 ТВт/см2. Спектры вторичного излучения, собираемого с использованием кварцевого волоконного световода (6), регистрировали с помощью миниспек-трометра типа "Ocean Optics" (7) и обрабатывались с помощью компьютера (8). При фокусировке лазерного излучения в воздухе наблюдали свечение плазмы, спектр которого также регистрировали с использованием миниспектрометра. Волоконно-оптический миниспектрометр построен на базе дифракционной решетки и позволяет регистрировать спектральные характеристики вторичного излучения многоэлементным приемником в широком спектральном диапазоне, включающем ультрафиолетовую и ближнюю инфракрасную области спектра с разрешением по длине волны не ниже 1.0 нм.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 3 приведены спектры вторичного излучения, наблюдаемые при фокусировке лазерного излучения с длиной волны 1026 нм на поверхности фотонного кристалла. При жесткой фокусировке лазерного излучения вблизи поверхности образца, наряду с излучением

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.

Показать целиком