авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 | 6 |

«РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ПРОГРАММА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРЕЗИДИУМА РАН № 13 «ЭКСТРЕМАЛЬНЫЕ СВЕТОВЫЕ ПОЛЯ И ИХ ...»

-- [ Страница 4 ] --

Прочие публикации 8. С.А. Зилов, Е.Ф. Мартынович, Л.И. Брюквина, А.А. Старченко. Аксиально-периодическое распределение концентрации центров окраски в кристаллах MgF2, образованных фемтосекундным лазерным излучением. Тезисы лекций и докладов Международной конференции по люминесценции и лазерной физике. Иркутская область, бухта Песчаная (Байкал), Россия, 2012 с. 77-78.

9. Е.Ф.Мартынович, А.В.Кузнецов. Эффект продольной пространственной неоднородности люминесценции канала в LiF при воздействии фемтосекундного лазерного излучения. Тезисы лекций и докладов Международной конференции по люминесценции и лазерной физике. Иркутская область, бухта Песчаная (Байкал), Россия, 2012 с. 77-78.

10. S.A. Zilov, E.F. Martynovich, L.I. Bryukvina, A.A. Starchenko. The periodic structure of color centers distribution in filament formed by femtosecond laser irradiation in crystal MgF2. Book of abstracst of 15th International Conference on Radiation Physics and Chemistry of Condensed Matter, Tomsk, 2012, с. 90-91.

11. L.I.Bryukvina, A.L.Rakevich, E.F.Martynovich Aggregation and transformation of color centers under and laser radiation in magnesium fluoride. Book of abstracts of 15th International Conference on Radiation Physics and Chemistry of Condensed Matter, Tomsk, 2012, c. 116-117.

Проект 4.13. Экспериментальные методы изучения пространственной структуры и свойств оптических материалов путем трехмерного лазерного сканирования / двухфотонной модификации микрообъемов вещества (Руководитель проекта: П.Е. Твердохлеб, ИАЭ СО РАН) Основные задания, выполненные в 2012 году:

1. Разработка экспериментальных методик и установок, адаптированных к парамет рам исследуемых образцов керамик. Результаты тестовых испытаний.

2. Измерение коэффициентов ДФП кристаллов танталата лития с разной стехиомет рией в условиях фемтосекундных экспозиций.

Для экспериментального исследования внутренних рассеивающих свойств прозрач ной керамики (толщиной 1 -3 мм) предложены две новые лазерные методики: 3D гетеро динного микрозондирования и 3D доплеровской томографии.

Методика 3D лазерного гетеродинного микрозондирования предполагает формиро вание в объеме изучаемой среды интерференционной микроструктуры размером порядка 1 мкм2 в XY-плоскости и примерно 5 – 10 мкм по толщине (координата Z) и последующее двухканальное гетеродинное детектирование рассеянного излучения с определением его параметров (амплитуды и фазы). При 3D перемещении изучаемой среды относительно ла зерного зонда можно получить представление о структуре и свойствах рассеивающих час тиц во всм е объеме.

Методика 3D доплеровской томографии позволяет восстановить не только значения амплитуды и фазы рассеянного света во всех парциальных слоях изучаемой среды, но и значения фазового сдвига между амплитудными и фазовыми компонентами дифракцион ных решеток в каждом из разрешаемых слоев. Это достигается путем формирования в объеме среды сканирующей световой решетки с переменной по глубине скоростью дви жения, вследствие чего каждому слою по толщине среды соответствует собственный доп леровский сдвиг частоты света. Составляющие выходного сигнала с «именными» допле ровскими сдвигами частоты выделяются путем коллинеарного гетеродинного детектиро вания.

Разрешающая способность обеих методик по глубине материала примерно одинако ва, однако вторая из них не требует трехкоординатного позиционирования среды. Полу чить информацию о послойном распределении спектральной составляющей рассеянного света по всей глубине удается в результате одного акустооптического «сканирования»

(менее 1 мс). Обе методики и соответствующие им аппаратно-программные средства прошли экспериментальную апробацию при исследовании толстых (100 – 200 мкм) слоев фотополимеров с сухим проявлением.

Проведена оценка интегральных свойств шумов рассеяния прозрачной керамики Nd:Y2O3 на длине волны излучения = 0,63 мкм. Диаметр пучка по уровню 1/e2 макси мальной мощности составлял 1,2 мм. Направление распространения – перпендикулярно поверхности образца. Диаметр фотоприемника D = 10 мм. Диапазон изменения расстоя ния от образца до фотоприемника R = 0 2000 мм. Размеры образца: толщина – 2 мм, диаметр – 11 мм. Образец создан в Институте электрофизики УрО РАН и передан нам для работы заведующим лабораторией д.ф.-м.н. В.В. Осиповым.

Получена зависимость дифракционной эффективности шумовых решеток в еди ничной полосе пространственных гармоник от угла дифракции (пространственной часто ты ). Эта зависимость, определенная по формуле (i)=(i – i+1)4 2 (Ri Ri+1)2/D2(Ri+12– Ri2) [мм2], представлена на рис. 1, где i – дифрак ционная эффективность при R = Ri, усредненная по поверхности фотоприемника, а i = 2D/( Ri + Ri+1) [1/мм].

, мм, мм- Рис. 1. Спектральная плотность шумов рассеяния образца прозрачной керамики (1 % Nd:Y2O3, №Y3147, коэффициент пропускания – 0,77) Из рисунка следует, что спектр шумов керамики сосредоточен, в основном, в облас ти нижних пространственных частот (менее 100 мм-1). Поэтому для повышения разре шающей способности экспериментальной установки по толщине образца гетеродинный детектор был выполнен на основе многоэлементной фотодиодной линейки с накоплением.

Показано, что за счет этой меры и некоторых других такая разрешающая способность мо жет быть увеличена в 10 – 100 раз.

С использованием фемтосекундного лазера с длительностью импульсов 60 – 90 фс (по уровню ) проведены измерения коэффициента двухфотонного поглощения (ДФП) в нелегированных кристаллах LiTaO3 методом Z-scan с открытой апертурой. Обнаружено, что значение коэффициента ДФП зависит от уровня интенсивности фемтосекундных ла зерных импульсов. Характер такой зависимости для кристалла LiTaO3 с молярной концен трацией лития CLi = 49.6 моль % показан на рис. 2.

eff, см/ГВт Интенсивность излучения I, ГВт/см Рис. 2. Зависимость эффективного коэффициента ДФП от интенсивности излучения. Сплошная линия представляет собой подгоночную функцию с гиперболической аппроксимацией Сделано предположение, что характер такой зависимости может быть объяснен яв лением насыщения ДФП. Была построена модель такого насыщения на основе гиперболи ческой зависимости эффективного коэффициента ДФП от интенсивности:

(I ), (1) 1 I / I sat где 0 – коэффициент двухфотонного поглощения при низкой интенсивности излучения, Isat – величина интенсивности, при которой коэффициент ДФП уменьшается в два раза.

Такой характер зависимости наблюдается в полупроводниковых материалах, например, в CdS [J. F. Lami, P. Gilliot, and C. Hirlimann, Phys. Rev. Let., 77, 1632, 1996].

Распространение излучения в среде вдоль оси Z при наличии двухфотонного погло щения описывается уравнением:

dI ( I ) I 2 dz. (2) Подставляя выражение (1) в уравнение (2) и, учитывая, что интенсивности излуче ния на входе и выходе среды (Iin, Iout) связаны с входной и выходной интенсивностями в среде ( I in, I out ) соотношениями Iin = I in /(1 - R) и Iout = I out (1 - R), где R – коэффициент от 1 1 1 ражения среды, получим решение уравнения (2), в виде 1 1 R I out 0 d, ln (3) I in (1 R) I out I sat I in (1 R) где d – толщина среды.

Уравнение (3) решено численным способом. Величина пропускания образца по энергии с учетом гауссового профиля лазерного импульса получена путем интегрирова ния по пространству и времени.

На рис. 3 приведены расчетные графики зависимости обратного пропускания 1/T от интенсивности I при наличии насыщения ДФП (сплошная линия) и его отсутствии (штри ховая линия). Сплошная линия построена путем подгонки экспериментальных данных.

Наилучшие результаты получены при выборе Isat = 11 ГВт/см2. Ненасыщенное значение коэффициента ДФП 0 = 5,7 см/ГВт получено из рис. 2 при малых значениях интенсивно сти. Зависимости обратного пропускания от интенсивности при условии отсутствия на сыщения ДФП (штриховая линия) находилась при 0 = 5,7 см/ГВт.

Таким образом, данные, приведенные на рис. 3, хорошо согласуются с моделью, на сыщения двухфотонного поглощения. При длительности импульса 60 фс и энергии фото на 3,2 эВ оценка величины интенсивности насыщения дает значение 11 ГВт/см2.

Планируемые в 2013 г. эксперименты по pump-probe методике могут не только по мочь в определении до сих пор неизвестного времени внутризонной термической релак сации (термализации) в кристаллах танталата лития, но и подтвердить наличие насыщения ДФП при длительностях импульса близких 60 фс.

1/T Интенсивность излучения I, ГВт/см Рис. 3. Зависимость обратного пропускания (по энергии) от входной интенсивности излучения для нелегированного кристалла танталата лития с молярной концентрацией лития X = 49.6 мол.% Публикации и выступления на конференциях по результатам работ 1. П.Е. Твердохлеб, Ю.А. Щепеткин, И.Ш. Штейнберг, "Трехмерная лазерная модификация объемных све точувствительных материалов", Монография Отв. редактор – Твердохлеб П.Е. Новосибирск: Издатель ство СО РАН, 2012. 450 стр.

НАПРАВЛЕНИЕ 5:

Ультрастабильные источники оптического излучения и высокопре цизионная фемто- и аттосекундная метрология Проект 5.1. Создание компактных оптических часов на основе фемтосекундных волоконных лазеров и метановых стандартов частоты (Руководитель проекта: М.А. Губин, ФИАН) Введение.

Необходимым элементом активно развиваемых в настоящее время микроволновых и оптических квантовых стандартов частоты на холодных атомах и ионах в световых и электромагнитных ловушках (планируемые точности 10-16-10-18), являются задающие ге нераторы с узким спектром излучения (высокой кратковременной стабильностью часто ты). Относительные ширины, оптических реперных резонансов холодных атомов и ионов составляют 10-14 - 10-15, и для регистрации таких линий требования на кратковременную стабильность частоты зондирующего излучения при времени усреднения 1 с составляют величину ~10-15 и выше.

Широко распространены задающие генераторы, основанные на стабилизации часто ты излучения по оптическим и СВЧ резонаторам, позволившие достигнуть указанной вы ше кратковременной стабильности за счет сверхвысокой (~1010) добротности и тщатель ной изоляции резонаторов от внешних воздействий. В частности, применяется охлажде ние сапфирового СВЧ резонатора до гелиевых температур. Нами развивается иной подход к созданию задающего генератора с кратковременной стабильностью частоты 10 -15-10,основанный на лазерах, стабилизированных по внутридопплеровским резонансам на сыщенного поглощения и дисперсии (НП, НД) в газовых ячейках. Эти системы менее тре бовательны к внешним условиям, т.к. используется активная стабилизация по квантовому частотному дискриминатору - спектральной линии и отсутствуют начинающиеся с времен усреднения ~10 с дрейфы частоты, характерные для задающих генераторов на «пассив ных» резонаторах Фабри-Перо. Одной из перспективных пар «лазер – ячейка поглоще ния» является рассматриваемая в настоящей работе система на основе перестраиваемого твердотельного Cr2+:ZnSe лазера и метановой поглощающей ячейки: Cr2+:ZnSe/CH4 опти ческий стандарт частоты (ОСЧ).

Выбор линии и метода Привлекательность молекулы метана связана с ее высокой симметрией, относитель но простым колебательно-вращательным спектром, большой вращательной постоянной и возможностью получения значительных коэффициентов поглощения при использовании переходов с низких вращательных уровней при охлаждении, малая радиационная ширина линий (~10 Гц) даже на переходах основных колебательно-вращательных полос, химиче ская инертность к материалам ячейки. Все ранее созданные метановые задающие генера торы и стандарты частоты традиционно использовали He-Ne лазер на длине волны 3,39 мкм, линия усиления которого близка к частотам F и E компонент линии P(7) полосы 3. Появление малошумящих перестраиваемых твердотельных лазеров на кристаллах группы A2B6 решило проблему выбора линий. В частности, перестройкой частоты генера ции Cr2+:ZnSe лазера перекрывается область (2,2 - 2,7) мкм, что делает доступной любую линию метана из расположенных здесь полос поглощения на составных частотах, в част ности,(1+4).

Основные параметры, определяющие стабильность частоты ОСЧ – ширина реперно го резонанса и отношение сигнал/шум. Сечение поглощения метана в данной области спектра на 2-3 порядка меньше, чем на линиях полосы 3. Это снижает уровень сигнала резонансовНП и НДпо сравненю с используемыми в He-Ne лазере (3,39 мкм), но позволя ет избежать перенасыщения резонансов и большого полевого уширения. Параметр насы щения лазерного перехода в кристалле Cr2+:ZnSe составляет ~ 7,5 кВт/см2, что на 3 поряд ка превышает параметр насыщения лазерного перехода в газовом лазере, а характерные выходные мощности составляют десятки мВт для Cr2+:ZnSe лазера и доли мВт для He Ne/CH4 лазера. По этой же причине при одинаковой добротности резонаторов предельные частотные шумы одномодовогоCr2+:ZnSe лазера, определяемые вкладом спонтанного из лучения (предел Шавлова-Таунса), примерно в 103 раз ниже чем в He-Ne лазере. В [1] создан Cr2+:ZnSe лазер с частотными шумами менее 30 мГц, что при частоте несущей 125 ТГц соответствует относительной спектральной плотности частотных флуктуаций 310-16 в полосе 1 Гц. Данный фундаментальный предел маскируется техническими флук туациями частоты лазера, вызванными нестабильностью длины резонатора, и для их по давления необходима система стабилизации по квантовому дискриминатору – узкому ре зонансу НП или НД на одной из спектральных линий метана.

Основываясь на особенностях двухмодового метода нелинейной лазерной спектро скопии и результатах [1] было определено, чтонаилучшим образом задаче получения тре буемого соотношения С/Ш отвечают резонансы НД, наблюдаемые в частоте биений двухмодовых лазеров с поглощающими ячеками. Величина сигнала НД фактически не за висит от уровня выходной мощности и возможно использование резонатора с малыми (~1%) потерями на вывод излучения, что в принципе позволяет достигнуть в Cr2+:ZnSe/CH4 ОСЧ миллигерцового уровня спонтанных шумов лазера при одновремен ном снижении уровня оптической накачки кристалла.

Схема и результаты эксперимента.

Схема экспериментальной установки в основном аналогична созданной в [1]. До полнительно в резонатор лазера помещены: метановая ячейка (длина 20 см) и селекти рующие элементы – диффракционная решетка и перестраиваемый пьезоэлементом интер ферометр Фабри-Перо (ИФП). Лазер работал в устойчивом режиме генерации двух сосед них аксиальных мод с расстоянием между модами 12 = 130 МГц. Плавная перестройка частоты достигаласьсогласованным изменением длин резонатора и ИФП. Для выбора цен тральной частоты диапазона плавной перестройки дополнительно использовалась на стройка дифракционной решетки.

(1) 300 K (2) 77 K кГц) Сигнал ( - - - -4 -2 0 2 Частотная отстройка ( МГц) Рис. 1. Резонанс насыщенной дисперсии, Е-компонента R(2)-линии полоса (1+4), 1 - Т=300К, pCH4=10 мТорр, 2 - Т=77К, pCH4=1 мТорр При регистрации частоты межмодовых биений были получены резонансы насыщен ной дисперсии при комнатной температуре и давлении метана во внутрирезонаторной ячейке pCH4 ~ 10 мТорр. Для наблюдения выбрана Е – компонента, свободная от влияния магнитной сверхтонкой структуры и поэтому представляющая наибольший интерес для задач ОСЧ. Полный размах резонанса НД составил ~2 кГц, а полная ширина ~ 500 кГц.

При охлаждении метана до температуры жидкого азота наблюдалось резкое (~ раз) увеличение сигнала. На рис. 1 представлены резонансы насыщенной дисперсии на R(2)-линии метана при комнатной и азотной температурах.

Коэффициент столкновительного уширения для метана при Т=77К составляет, а пролетная ширина для луча диаметром d=1,5 мм составляет ~60 кГц.

С учетом полевого уширения (параметр насыщения по оценкам не превышает 2-3) полная ширина резонанса должна составлять не более 150 кГц. Различие с наблюдаемой величи ной связано с технической составляющей ширины спектра излучения Cr2+:ZnSe лазера из за недостаточной пассивной стабильности применявшегося резонатора.Указанная техни ческая составляющая внешних воздействий будет значительно подавлена в следующем варианте резонатора лазера.

Основные результаты работы:

Впервые наблюдались внутридопплеровские резонансы насыщенной дисперсии на линии R(2) полосы 1+4 метана ( = 2.36 мкм). Зафиксировано увеличение на 2 порядка амплитуды резонанса при охлаждении метана до температурыжидкого азота. Спектро скопические характеристики резонансов и низкий уровень спонтанных шумов излучения Сr:ZnSeлазера открывают возможность создания на этой основе малогабаритного транс портируемого Сr:ZnSe/CH4 оптического стандарта частоты со стабильностью 10-15–10- (время усреднения = 1 – 105с), что соответствует лучшим мировым результатам в данной области исследований.

Для передачи стабильности Сr:ZnSe /CH4ОСЧ в радиодиапазон спектра начато соз дание схемы деления частоты оптического стандарта на основе задающего Er3+ волоконно го фемтосекундноголазера. Для эффективной генерации суперконтинуума в среднем ИК диапазоне (2.4 мкм) предполагается использовать активноевысоконелинейное волокно.

Публикации и выступления на конференциях по результатам работ 1. М.А.Губин, А.Н.Киреев, Ю.В.Коростелин, А.Б.Пнев,Ю.П.Подмарьков, Д.А.Тюриков, М.П.Фролов, Д.А.Шелестов, А.С.Шелковников, «Перестраиваемый двухмодовый Cr2+ :ZnSe лазер со спектральной плотностью частотных шумов 0,03 Гц/Гц», Квантовая электроника, 42, 509 (2012).

2. М.А. Губин, А.Н. Киреев, В.И. Козловский, Ю.В. Коростелин, В.А. Лазарев, А.Б. Пнев, Ю.П. Подмарьков, Д.А. Тюриков, М.П. Фролов, А.С. Шелковников, «Наблюдение резонансов насыщенной дисперсии метана в двухмодовомCr2+:ZnSe/CH4 лазере», Квантовая электроника, 42, (2012).

3. M. Gubin, M. Frolov, A. Kireev, Yu. Korostelin, V. Kozlovskyi, Yu. Podmar’kov, A. Shelkovnikov, D. Tyurikov, V. Lazarev, A. Pnev, «Cr:ZnSe Laser with 0.03 Hz/Hz1/2 Frequency Noise for Compact Methane Based OFS», in Proceedings2012 European Frequency & Time Forum (EFTF-2012), Gttenberg, Sweden, April 23-27, 2012.

Проект 5.2. Разработка мобильных прецизионных фемтосекундных оптических часов для метрологии и спутниковых навигационных систем (Руководитель проекта: В.С. Пивцов, ИЛФ СО РАН) При использовании эталона частоты оптического диапазона в спутниковой системе ГЛОНАСС необходимо передавать его частотные характеристики в радиодиапазон без ухудшения этих характеристик. В настоящее время эта проблема решается при использо вании фемтосекундного лазера, частотные компоненты которого стабилизированы по оп тическому стандарту частоты, т.е. с помощью фемтосекундных оптических часов (ФОЧ).

Одно из основных требований, предъявляемых к мобильным ФОЧ – длительное время ра боты без подстройки с сохранением долговременной стабильности частоты (для систем космического базирования - 10-15 10-16, наземного - 10-16 10-17). ФОЧ с такой стабиль ностью существуют только в лабораторном варианте и требуют регулярной подстройки.

Задачей данного этапа является разработка общих принципов построения мобиль ных ФОЧ для системы ГЛОНАСС (стабильность 10-16 и выше) и предпочтительных вари антов основных блоков, а также ФОЧ в целом.

Общие принципы построения мобильных ФОЧ разрабатывались на основе анализа результатов зарубежных и российских публикаций, а также собственного опыта работы с аналогичными системами. Показано, что в настоящее время полученных результатов дос таточно для постановки работ по созданию мобильных ФОЧ. Такие работы начаты в ИЛФ СО РАН. Лабораторный стенд изображен на рисунке 1.

В результате определены перспективные схемы основных блоков для мобильных ФОЧ: волоконных фемтосекундных лазеров, усилителей, волоконных систем уширения спектра, оптических стандартов частоты.

Рис. 1. Лабораторный стенд для разработки основных блоков мобильных ФОЧ Наиболее сложным и мало исследованным блоком для мобильных ФОЧ является фемтосекундный лазер. Одним из разработанных перспективных вариантов является во локонный лазер с линейным резонатором, изображенный на рисунке. Использование ми ниатюрного полупроводникового насыщающегося зеркала (SESAM), закрепленного непо средственно на торце волоконного световода, позволило реализовать предельно компакт ный и надежный лазер, не требующий настройки.

Рис. 2. Схема линейного фемтосекундного лазера и спектр биений компоненты уширенного спек тра с излучением Nd:YAG/I2 стандарта частоты. ДЛ – диодный лазер накачки, СМ – спектральный мультиплексор, АЭВ – активное эрбиевое волокно, ПСВ – пьезокерамический стретчер волокна, ФЗ – фарадеевское зеркало Конструкция лазера обеспечивает самостарт и высокую устойчивость режима син хронизации мод даже в условиях сильных вибраций. Лазер имеет высокую энергоэффек тивность – суммарная средняя мощность лазера (с обоих выходов) достигает ~40 мВт при мощности излучения накачки ~ 200 мВт. Схема лазера и спектр биений компоненты его излучения с излучением Nd:YAG/I2 стандарта частоты приведены на рисунке. Схема цельноволоконная. Настраиваемые элементы отсутствуют. Исследовались варианты с раз личными типами SESAM, с различными типами активных и пассивных волокон, с фара деевским зеркалом и без. Определена оптимальная конфигурация. Общий недостаток та ких лазеров – большая доля шума в излучении, что приводит к низкому отношению сиг нал/шум. Разрабатываются меры по устранению этого недостатка.

Другой перспективной схемой лазера является линейно-кольцевой фемтосекундный лазер. Такая схема впервые была предложена в ИЛФ СО РАН. Модифицированная для мобильной установки схема приведена на рисунке.

Рис. 3. Схема линейно-кольцевого фемтосекундного лазера и спектр межмодовых биений его излучения. КП – контроллер поляризации, PBS – поляризационный ответвитель, ФАП – фазовая автоподстройка, ФМ – фазовый модулятор, ЛД – лазерный диод накачки, WDM – спектральный мультиплексор Элементы отработки межмодовой частоты – SESAM на пьезокерамике и фазовый моду лятор ФМ. Отработка частоты смещения – по току лазерного диода накачки ЛД. Отноше ние сигнал/шум существенно увеличилось (см. рисунок). Недостатки такой схемы: конст рукция - не цельноволоконная, пониженная частота повторения импульсов (10 – 20 МГц).

Другим типом потенциально перспективного фемтосекундного лазера является во локонный лазер с активной синхронизацией мод. Результаты исследований его приемле мых вариантов в публикациях не известны. Проведение таких работ планируется на сле дующих этапах настоящего проекта.

Выходная мощность волоконных фемтосекундных лазеров недостаточна для ушире ния спектра до октавы. Необходим усилитель. Требования к такому усилителю: средняя выходная мощность 100 мВт (при входной мощности 10 мВт), не должно существенно ухудшаться отношение сигнал/шум, наличие аварийного отключения. Схема разработан ного усилителя приведена на рисунке. Проведены макетные испытания, завершается мон таж усилителя в окончательном виде.

Рис. 4. Схема малошумящего усилителя 1 - волоконно-оптические коннекторы;

2 - нечувствительный к поляризации двухступен чатый волоконно-оптический изолятор совмещенный с ответвителем 5%;

3 - нечувстви тельный к поляризации двухступенчатый волоконно-оптический изолятор повышенной мощности;

4 - волоконно-оптический разветвитель 5%;

5 - волоконный тонкопленочный одномодовый спектрально-селективный разветвитель повышенной мощности;

6 - воло конный объединитель поляризаций повышенной мощности;

7 - нечувствительный к поля ризации мощный волоконный изолятор;

8 - нечувствительный к поляризации одномодо вый волоконный полосовой блокирующий фильтр повышенной мощности;

9 - оптическое волокно, легированное эрбием nLight Liekki Er80-8/125;

10 - фильтр, блокирующий излу чение 976 нм (волоконная брэгговская решетка).

С помощью разработанного Nd:YAG/I2 стандарта частоты проведено измерение аб солютных частот эмиссионных переходов молекулярного йода в области 982 – 985 нм.

Публикации и выступления на конференциях по результатам работ Статьи 1. B.N. Nyushkov, A.V. Ivanenko, S.M. Kobtsev, S.K. Turitsyn, С. Mou, L. Zhang, V.I. Denisov, and V.S.

Pivtsov / Gamma-shaped long-cavity normal-dispersion mode-locked Er-fiber laser for sub-nanosecond high energy pulsed generation // Laser Physics Letters, Vol. 9, No. 1, pp.59-67 (2012).

2. Ю.А. Матюгин, С.М. Игнатович, С.А. Кузнецов, М.И. Нестеренко, М.В. Охапкин, В.С. Пивцов, М.Н. Скворцов, С.Н. Багаев. Абсолютное измерение частот эмиссионных переходов молекулярного йода в области 982 – 985 нм. Квантовая Электроника, т. 42, № 3, с. 250-257 (2012).

Доклады на конференциях:

1. Igor I. Korel, Boris Nyushkov, Vladimir Denisov/ Numerical evaluation of pulse compressibility and chirp characterization // SPIE Photonics West: LASE, San Francisco, California (USA), 21-26 January 2012, Technical Program, paper 8237-69 (2012).

2. Vladimir I. Denisov, Natalya Koliada, Boris Nyushkov, Victor Pivtsov, Dmitriy Primakov / All-fiber optical modulator // SPIE Photonics West: OPTO, San Francisco, California (USA), 21-26 January 2012, Technical Program, paper 8257-45 (2012).

3. Б.Н. Нюшков, Н.А. Коляда, В.С. Пивцов, М.Н. Скворцов, С.Н. Багаев, В.И. Денисов, С.М. Кобцев, С.М.

Игнатович, Н.Л. Квашнин / Мобильные фемтосекундные оптические часы // V Российский семинар по волоконным лазерам, г. Новосибирск (Россия), 27-30 марта 2012 г., «Материалы Российского семинара по волоконным лазерам – Новосибирск: ИАиЭ СО РАН, 2012 – 184 с.», с. 82-83 (2012).

4. А.В. Иваненко, С.М. Кобцев, Б.Н. Нюшков / Перестройка длины волны излучения сверхдлинного цельноволоконного эрбиевого лазера с синхронизацией мод // V Российский семинар по волоконным лазерам, г. Новосибирск (Россия), 27-30 марта 2012 г., «Материалы Российского семинара по волоконным лазерам – Новосибирск: ИАиЭ СО РАН, 2012 – 184 с.», с. 120-121 (2012).

5. И.И. Корель, Б.Н. Нюшков, В.И. Денисов, В.С. Пивцов, "Исследование компрессии импульсов с гигант ским чирпом," V Российский семинар по волоконным лазерам, г. Новосибирск (Россия), 27-30 марта 2012 г., "Материалы Российского семинара по волоконным лазерам – Новосибирск: ИАиЭ СО РАН, 2012 – 184 с.", с. 129 (2012).

6. I.I. Korel, V.I. Denisov, B.N. Nyushkov, V.S. Pivtsov / Numerical modeling of octave supercontinuum generated in highly nonlinear fibers with complex dispersion profiles // 15th International Conference on Laser Optics (LO-2012), St. Petersburg, Russia, June 25 – 29, 2012, Technical Program,

Abstract

code TuR8-16, p.24, theses CD, paper TuR8-16 (2012);

7. N. Koliada, B. Nyushkov, A. Ivanenko, S. Kobtsev, P. Harper, S. Turitsyn, V. Denisov, V. Pivtsov / Dissipative solitons in ultra-long actively mode-locked fiber laser // 15th International Conference on Laser Optics (LO 2012), St. Petersburg, Russia, June 25 – 29, 2012, Technical Program, abstract code ThR1-17, p.43, theses CD, paper ThR1-17 (2012);

8. N.A. Koliada, D.V. Brazhnikov, V.I. Denisov, B.N. Nyushkov, V.S. Pivtsov / All-fiber phase modulator // 15th International Conference on Laser Optics (LO-2012), St. Petersburg, Russia, June 25 – 29, 2012, Technical Program, abstract code ThR4-p05, p.55, theses CD, paper ThR4-p05 (2012).

Патенты 1. Патент на полезную модель №116656. Цельноволоконный оптический модулятор (варианты). RU 116656 U1.

Заявка №2011142922. Приоритет полезной модели 24.10.2011. Зарегистрировано в Государственном реестре полезных моделей Российской Федерации 27.05.2012. Опубликовано: 27.05.2012 Бюл. №15. Авторы: Коляда Н. А., Нюшков Б. Н., Пивцов В. С., Денисов В. И., Примаков Д.Ю. Патентообладатель: Учреждение Российской академии наук Сибирское отделение Институт лазерной физики.

Проект 5.3. Разработка нового поколения оптических стандартов частоты на основе ультрахолодных ионов (Руководитель проекта: С.В. Чепуров, ИЛФ СО РАН) В рамках выполнения НИР в ИЛФ СО РАН ведутся исследования по созданию маке та оптического стандарта частоты на основе одиночного иона иттербия-171, захваченного в радиочастотной ловушке.

За отчетный период были проведены работы по проектированию и испытанию ос новных узлов ловушки, а также рассчитаны параметры электромагнитного поля в ловуш ке и лазерного излучения для ионизации, охлаждения и удержания ионов, проведен расчет схемы регистрации фотонов флуоресценции.

Спроектирована конфигурация электродов ловушки для формирования цилиндриче ски симметричного квадрупольного потенциала (Рисунок 1). Линейная (endcap) конфигу рация (Рисунок 2) в отличие от классической с центральным кольцевым электродом имеет более открытый дизайн и позволяет использовать несколько лазерных лучей для более эффективного охлаждения по всем координатам, что ведет к снижению кинетической энергии иона, обусловленной микродвижением. Электроды ловушки, печь для испарения атомов иттербия, электронная пушка и два дополнительных электрода будут использо ваться для подачи постоянного напряжения, компенсирующего несимметричность поля в ловушке вследствие неидеальности конструкции или присутствия паразитных полей. Раз работана схема подачи компенсирующего напряжения на электроды, позволяющая неза висимо управлять им по трем координатам.

Рис. 1. Конфигурация электродов и схема подачи напряжения в линейной ионной ловушке Рис. 2. Лабораторный макет линейной ионной ловушки Разработана управляющая электроника для ловушки, рассчитаны параметры элек тромагнитного поля и лазерного излучения для охлаждения и удержания ионов в режиме Лэмба-Дике. На основные электроды ловушки через резонансный трансформатор подает ся переменное напряжение амплитудой 600 В на частоте 16 МГц, что ведет к формирова нию потенциала глубиной порядка 17 эВ. Подобраны параметры магнитного поля в ло вушке, необходимого для компенсации магнитного поля Земли, а также для расщепления подуровней тонкой структуры охлаждающего перехода. Напряженность и направление магнитного поля в ловушке задается набором катушек. Для допплеровского охлаждения иона используется дипольный переход 2S1/2 (F=1) – 2P1/2 (F=0) с длиной волны 369.5 нм и естественной шириной линии 23 МГц. В качестве охлаждающего излучения будет исполь зована вторая гармоника диодного лазера на 739 нм.

В разрабатываемой системе для ионизации атомов иттербия предлагается использо вать резонансное двухфотонное поглощение с помощью лазерного излучения. Для этого будет использоваться диодный лазер на длине волны 399 нм. В отличие от традиционно применяемой ионизации электронным пучком, данный способ обладает более высокой эффективностью, что означает отсутствие паразитных статических зарядов и, кроме того, обладает селективностью по изотопам. Пучки фотоионизационного и охлаждающего ла зеров будут пространственно совмещены. В этом случае в механизме фотоионизации бу дут участвовать фотоны обоих лазеров и вслед за образованием ионов сразу будет проис ходить их охлаждение, что позволит более предсказуемо загружать в ловушку частицы с низкой кинетической энергией и снизит время загрузки.

Проведен расчет схемы регистрации фотонов флуоресценции. Оптическая часть представляет собой многолинзовый телескопический проектор изображения иона на реги стрирующий прибор. Пространственное разрешение составляет около 2 мкм.

В результате создан и экспериментально исследован макет радиочастотной ловушки для захвата иона иттербия, спроектированы и испытаны основные узлы ловушки, рассчи таны параметры электромагнитного поля и лазерного излучения для ионизации, охлажде ния и удержания ионов, проведен расчет схемы регистрации фотонов флуоресценции. Та ким образом, задачи этапа НИР решены полностью.

Проект 5.4. Стабилизация фемтосекундного синтезатора частот по оптическому резонансу в ультрахолодных атомах тулия (Руководитель проекта: В.Н. Сорокин, ФИАН) Создание высокоточных стандартов частоты нового поколения открывает новые возможности как в фундаментальных, так и прикладных исследованиях, и имеет огромное значение для обороноспособности страны. Среди общенаучных задач следует отметить изучение дрейфа фундаментальных констант на временах жизни Вселенной и определе ние зарядового радиуса протона. Наиболее важным практическим применением новых стандартов частоты является усовершенствование системы спутниковой навигации ГЛОНАСС. Применение новых «часов» способно значительно повысить точность опреде ление координат объекта и уменьшить время их измерения.

Практически любой стандарт частоты – это осциллятор того или иного вида (кварце вый осциллятор, атомный или ионный переход). Процесс усовершенствования стандартов частоты шел и идет по пути улучшения параметров осциллятора. Оптический переход в атоме или ионе имеет колоссальную добротность и сравнительно мало подвержен зависи мости от параметров окружающей среды. Эти факторы и делают атом идеальным объек том для создания высокоточных стандартов частоты.

Выбор подходящего атома является непростой задачей, поскольку необходимо при нимать во внимание взаимодействие многих факторов. Исследуемые нами редкоземель ные атомы тулия являются удобным и перспективным объектом для стандарта частоты.

Благодаря специфической электронной структуре – они имеют заполненные внешние электронные оболочки 6s2 и 5s2 и одну вакансию во внутренней оболочке 4f – спектр ато мов тулия содержит метрологический магнито-дипольный переход на длине волны 1. мкм, который обладает высокой добротностью и расположен в достаточно удобной облас ти оптического спектра. А внешние заполненные электронные оболочки уменьшают на порядка эффекты уширения и сдвига спектральной линии, связанные с взаимодействием с окружающими атомами.

Для изучения данного перехода в интересах метрологии необходимо охлаждать ато мы тулия до низких температур, чтобы подавить эффект Доплера и обеспечить длитель ное взаимодействие атомов с излучением. Для этой цели мы используем магнито оптическую ловушку (МОЛ), которую создает излучение на длине 410.6 нм от созданной ранее полупроводниковой лазерной системы. Исследование метрологического перехода связано с набором статистики и чем выше требуемая точность, тем большее время требу ется для измерений. Уменьшить требуемое время позволяет увеличение числа захвачен ных атомов благодаря увеличению отношения сигнал/шум.

Источником атомов тулия является испарительная печь, в которой металлический тулий нагревается до температуры 1000 К. При такой температуре атомы имеют средне квадратичную тепловую скорость порядка 400 м/с, и не могут непосредственно быть за хвачены в МОЛ. Для предварительного замедления двумя диафрагмами (2 и 5 на рис. 1) формируется атомный пучок, часть атомов из которого затем тормозиться в зеемановском замедлителе до скорости 20 м/с. Из геометрии следует, что угол расходимости атомного пучка после первой диафрагмы составляет 10 градусов, а угол под которым видна вторая диафрагма – всего 1 градус. Таким образом, бльшая часть атомов перекрывается второй диафрагмой.

Одним из методов, позволяющих уменьшить поперечную расходимость пучка, явля ется двумерное поперечное охлаждение, так называемая двумерная оптическая патока.

Для простоты рассмотрим одномерную модель. Пусть двухуровневый атом движется в поле двух встречных лазерных пучков одинаковой частоты, которая меньше частоты атомного перехода 0, и одинаковых интенсивностей. Из-за эффекта Доплера, атом будет больше рассеивать фотонов из встречного пучка, что приведет к охлаждению – уменьше нию компоненты скорости, направленной вдоль лазерных пучков. Двумерная оптическая патока работает аналогичным образом.

Рис. 1. Условная схема оптической патоки. 1—поток атомов из испарительной печи, 2 – входная диафрагма, 3 – лазерные пучки атомной патоки, 4 – магнитная система зеемановского замедлителя, 5 – выходная диафрагма, 6 – выходной атомный пучок Для реализации оптической патоки непосредственно после первой диафрагмы (2 на рис. 1) формируется световой поле, снижающее поперечную компоненту скорости атомов.

В двух взаимно ортогональных, перпендикулярных атомного пучку, направлениях фор мируются два антиколлинеарных лазерных луча (3 на рис. 1), частота которых отстроена в красную область спектра относительно охлаждающего перехода 4 f 6s ( J 7 / 2, F 4) 4 f 5d 6s ( J 9 / 2, F 4) в атоме тулия. Таким образом, непо 13 2 12 средственно перед входом в зеемановский замедлитель формируется двумерная оптиче ская патока, охлаждающая атомы в радиальном направлении. Замедляется относительно небольшая часть атомов с небольшой начальной радиальной компонентой скорости, что, тем не менее, приводит к заметному увеличению захваченных ловушкой атомов.

Рис. 2. Качественная схема эксперимента. Verdi V-10 – твердотельный лазер с диодной накачкой, работающий на длине волны 532 нм, Ti:Sapphire – перестраиваемый одночас тотный лазер на сапфире, работающий на 821,2 нм, ГВГ –удвоитель частоты (410,6 нм), АОМ – акусто-оптический модулятор с центральной частотой 200 МГц, установленный в вдухпроходной схеме, Усилитель – лазерный диод с асферическим объективом 4 мм, ПДП– поляризационный делитель пучка, / 2 – полуволновая фазовая пластинка В экспериментах с оптической патокой захват атомов в МОЛ и зеемановское замед ление осуществлялось с помощью излучения второй гармоники лазера на титан-сапфире.

В свою очередь, для формирования оптической патоки использовалось излучение полу проводникового усилителя, инжектируемого частью излучения второй гармоники лазера на титан-сапфире. Для настройки частоты излучения усилителя использовался двухпро ходный АОМ, установленный между задающим лазером и усилителем (рис. 2). Такая схе ма позволяет суммарно использовать до 300 мВт излучения на длине волны 410,6 нм, фак тически утраивая мощность лазера на титан-сапфире.

Рис. 3. Увеличение числа атомов в МОЛ в зависимости от мощности пучков в оптиче ской патоке. Левый рисунок – отстройка от охлаждающего перехода равна -10 МГц, правый рисунок – отстройка равна -30 МГц Лазерные пучки, создающие двумерную патоку, могут вызывать три эффекта: опти ческую патоку, оптическую накачку с подуровня F = 3 на F = 4 основного состояния, сду вание атомов из пучка за счет светового давления. На рис. 3 показана зависимость коэф фициента увеличения числа атомов в МОЛ от мощности пучков оптической патоки. Так как в области, где создается оптическая патока, присутствует остаточное продольное маг нитное поле от зеемановского замедлителя, то наибольший эффект (при отстройке - МГц) наблюдался, когда свет был поляризован вдоль атомного пучка, т.е. когда он вызы вал только переходы, не подверженные эффекту Зеемана. При точном резонансе с ох лаждающим переходом оптическая патока не должна работать. Однако, из-за наличия ос таточного магнитного поля, или переход будет иметь красную отстройку, что обу славливает увеличение числа атомов в МОЛ в 3 раза даже при точном резонансе с помо щью выбора подходящей поляризации лазерных пучков. Как и следовало ожидать, при большой положительной отстройке ( 5 МГц) оптическая патока делает атомный пучок еще более расходящимся и уменьшает число атомов в МОЛ. Сдувание атомного пучка может происходить из-за неколлинеарности пучков в оптической патоке или из-за их не ортогональности атомному пучку. Этот эффект трудно отделить от оптической патоки, т.к. он тоже может приводить к увеличению числа атомов в МОЛ, если распределение по скоростям вылетевших из печки атомов не осесимметричной относительно оси зееманов ского замедлителя.

Оценим возможное увеличение числа атомов в МОЛ из-за оптической накачки. Рас стояние между подуровнями F = 3 и F = 4 составляет f = 1500 МГц, поэтому больцма новский фактор при температуре T = 1000K равен exp(-h f / kT) = 1, что с учетом вырождения по магнитному квантовому числу означает, что на F = 3 и F = 4 на ходятся 7/16 и 9/16 от полного числа атомов в пучке. Если все атомы будут накачены в состояние F = 4, то населенность ловушки увеличиться не более, чем в 16/9 = 1.8 раза, что заметно меньше полученного значения 3. Поэтому, оптическая накачка не может полно стью объяснить наблюдаемый эффект.

Публикации и выступления на конференциях по результатам работ 1. Д.Д. Сукачев, А.В. Соколов, Н.Н. Колачевский, Е.С. Калганова, А.В. Акимов, В.Н. Сорокин, "Субдоплеровское лазерное охлаждение атомов тулия в магнито-оптической ловушке и магнитное удержание атомов тулия в низкоградиентной магнитной ловушке", Наносистемы: физика, химия, математика, 2012, 3 (1), С. 125–131.

Проект 5.5. Субдоплеровское охлаждение атомов магния до температур ~10 мкК для оптического стандарта частоты с относительной погрешностью менее 10- (Руководитель проекта: А.Н. Гончаров, ИЛФ СО РАН) Проведенные за отчетный период исследования были направлены на реализацию субдоплеровского охлаждения атомов магния в магнито-оптической ловушке (МОЛ) и на разработку компактных лазерных систем для магниевого стандарта частоты, включая ла зерные системы для субдоплеровского охлаждения. Потенциальные возможности узких переходов 1S0 -3P0,1,2 в атоме Mg в качестве реперов частоты могут быть полностью реа лизованы только при локализации атомов в «оптической решетке» - пучностях стоячей световой волны. С учетом глубины потенциала оптической решетки при разумных плот ностях мощности (порядка 10 КВт/см2) необходимо охлаждать атомы до температур по рядка 10 мкК, что существенно ниже доплеровской температуры TD = 1.9 мК. Необходимо реализовать субдоплеровское охлаждение атомов. Нами проведены теоретические иссле дования субдоплеровского охлаждения атомов магния на триплетном переходе 3P2 – 3D3.

Показано, что в 1D геометрии количество атомов, охлажденных по температуры 20 – мкК, может составлять существенную величину более 50 % [1]. Рассчитаны параметры необходимого для такого охлаждения излучения – плотность мощности, отстройка часто ты. На рис1 представлены результаты расчета количества атомов в узком пике с темпера турой менее 25 мкК.

Рис. 1. Кривые расчета оптимальных параметров излучения (плотность мощности, отстройка частоты) для получения ультрахолодных атомов Mg Теоретические расчеты и оценки показывают перспективность загрузки атомов маг ния в «оптическую решетку». Проводятся исследования по численному моделированию субдоплеровского охлаждения в 3D геометрии.

В настоящий момент основным ограничивающим фактором уменьшения ширины наблюдаемых резонансов Рамси_Борде в разнесенных во времени оптических полях явля ется ширина линии источника излучения на длине волны 457 нм ( ~ 1 КГц). Были вы полнены исследования по стабилизации «часового лазера» (переход 1S0 – 3P1 = 655 TГц) по внешнему высокостабильному интерферометру Фабри – Перо из ситалла с шириной пика пропускания 3 КГц и дрейфом частоты порядка 2 Гц/с. Разработана систе ма стабилизации лазерного излучения по этому интерферометру и осуществлена стабили зация частоты. По оценкам ширина линии лазерной системы была уменьшена до величи ны менее 500 Гц. На рис 2. представлена субкилогерцовая лазерная система на длине вол ны 457 нм.

Рис. 2. Лазерная система на частоте «часового» перехода атома магния Создание компактного источника излучения на частоте «часового» перехода (655.660 ТГц) имеет большое практическое значение для реализации стандарта частоты на основе атомов магния. Нами был разработан Nd:YVO4 лазер на длине волны 914 нм с ди одной накачкой и удвоитель частоты на основе PPSLT нелинейного кристалла для полу чения излучения на длине волны 457 нм. За отчетный период нами были проведены ис следования по стабилизации частоты этого источника по полосе пропускания высокодоб ротного интерферометра. Результат стабилизации частоты контролировался по сигналу «биений» его излучения с излучением высокостабильной лазерной системы на основе ти тан сапфирового лазера с шириной линии менее 500 Гц. На рис. 3 представлена фотогра фия вакуумной камеры с расположенным внутри не высокостабильным ситалловым ин терферометром (острота интерферометра F=3000, область свободной дисперсии 750 МГц).

На этом рисунке представлен также спектр «биений», демонстрирующий ширину линии разработанного источника на уровне 1 КГц.

а б Рис. 3. а) Спектр «биений» стабилизированного Nd:YVO4 лазера с излучением узкопо лосного источника на основе титан-сапфирового лазера, полоса пропускания анализато ра RBW = 1КГц, время сканирования SWT =0.05 сек, красная линия – аппроксимация спектра «лоренцем» с шириной 1.4 КГц;

б) фотография высокостабильного ситаллового интерферометра, используемого при стабилизации частоты Nd:YVO4 лазера Для экспериментальной реализации охлаждения атомов магния до температур по рядка 10 мкК необходимо лазерное излучение на длинах волн 383.2 и 383.8 нм. Для соз дания таких источников используется излучение полупроводниковых лазеров на длине волны 766 нм с последующим удвоением в нелинейных кристаллах. Спектральные харак теристики этих лазеров важны как для получения необходимого уровня мощности во вто рой гармонике (удвоение во внешнем резонаторе) так и для настройки излучения 383 нм на линии поглощения магния 3P1-3D2 и 3P2-3D3. За отчетный период были проведены исследования спектральных характеристик полупроводниковых лазеров на длине волны 766 нм, излучение второй гармоники этих лазеров будет использоваться для субдоплеров ского охлаждения атомов магния в магнито-оптической ловушке. Ширина линии генера ции лазеров в свободном режиме составила величину порядка 1 МГц (Рис 4). Исследова ния проводились по сигналу «биений» 2-х полупроводниковых лазеров. Выходная мощ ность лазеров на длине волны 766 нм (390418 ТГц) составила величину 35 мВт.

Рис. 4. Спектр биений двух полупроводниковых лазеров на длине волны 766 нм, центральная частота биений 200 МГц, полоса анализатора 100 КГц, время сканирования 0.1 сек Публикации и выступления на конференциях по результатам работ 1. Д.В. Бражников, А.Э. Бонерт, А.Н. Гончаров, А.В. Тайченачев, А.М. Тумайкин, В.И. Юдин, М.Ю.

Басалаев, Р.Я. Ильенков, А.М. Шилов, «Исследование возможности глубокого лазерного охлаждения атомов магния для создания стандарта частоты нового поколения», Вестник НГУ, серия «Физика», том 7, вып. 4 (2012);

2. Д.В. Бражников, Р.Я. Ильенков, О.Н. Прудников, А.В. Тайченачев, А.М. Тумайкин, В.И. Юдин, А.Н.

Гончаров, А.С. Зибров, Аномальная пространственная концентрация атомов в поле стоячей световой волны, Письма в ЖЭТФ, 95, №.8, 445-448 (2012);

3. D.V. Brazhnikov, A.N. Goncharov, R.Ya. Ilenkov, N.A. Koliada, O.N. Prudnikov, A.M. Shilov, A.V. Taiche nachev, A.M. Tumaikin, V.I.Yudin, A.S. Zibrov, Anomalous concentration of atoms in standing light wave.

Page 103 in Book of abstracts of the 23th International Conference on Atomic Physics (ICAP-2012). Palaiseau, France. 23-27 July 2012.

Проект 5.6. Нанолокализованные источники фемтосекундного излучения:

исследование и создание (Руководитель проекта: В.И. Балыкин, ИСАН, ФИАН, ИПТМОМ РАН) 1. Введение. В данном проекте ставится задача достижения пространственной ло кализации фемтосекундного лазерного излучения до значений порядка 20 нм. Эта задача имеет большое как фундаментальное, так и прикладное значение. За отчетный период вы полнения проекта проводились исследования по следующим основным направлениям:

(1) исследование генерации 3-ей гармоники на индивидуальных нанометровых объ ектах в золотой и алюминиевой пленках при их возбуждении фемтосекундным лазерным излучением.

(2) исследование нанолокализованного и широкополостного источника излучения на основе эффекта фотолюминесценции металла.

2. Экспериментальная схема и методика измерений Для исследования нанолокализованного фемтосекундгого источника излучения ис пользовалась установка на основе инвертированного микроскопа Nikon Eclipse Ti/U, Рис. 1. Сфокусированное лазерное излучение направлялось перпендикулярно поверхно сти плнки с наноотверстиями. Для возбуждения третьей гармоники и фотолюминисцен ции в металлических наноструктурах использовался фемтосекундный импульсный лазер (длина волны излучения 1560 nm, длительность импульса 120 фс, частота повторения им пульсов 70 MГц, средняя мощность падающая на образец излучения 15 мВт). Сигнал третьей гармоники и фотолюминисценции собирался объективом микроскопа. Для подав ления возбуждающего излучения использовался набор фильтров, состоящий из интерфе ренционных и цветного фильтров. Сигнал на основной частоте был подавлен более чем на 13 порядков. Пространственное распределения излучения от наноструктур осуществля лась при помощи охлаждаемой двухмерной CCD камеры (Princeton Instruments, Photon MAX) с лавинным размножением электронов. Спектральные измерения осуществлялась при помощи спектрометра с охлаждаемой ССD матрицей (Princeton Instruments, NTE/CCD-1340/100).

Рис. 1. Схема экспериментальной установки для исследования локализации фемтосекундного излучения в единичных наоотверстиях Наноотверстия и нанощели создавались в алюминиевых и золотых пленках нанораз мерной толщины. Эти пленки были созданы на поверхности ультратонких (толщина нм) мембран из SiO2. Пленки из золота создавались методом термического испарения при температуре 1240 оС в условиях высокого вакуума. Пленки из алюминия создавалась ме тодом электронного осаждения. Толщина плнок состовляла 50 ± 5 нм и измерялась в атомно силовом микроскопе. Приготовление образцов осуществлялось в условиях чистого помещения класса 100, оптические измерения образцов осуществлялось в условиях чисто го помещения класса 1000. Для изготовления наноотверстий мы использовали пучок ио нов Ga+, 30 keV (FEI Quanta 3D), сфокусированный в пятно диаметром около 10 nm. Мик роскопия созданных наноотверстий проводилась в электронном микроскопе JEOL JSM 7001F с пространственным разрешением 5 nm.

3. Источник фемтосекундного нанолокализованного излучения на основе гене рация третьей гармоники на нано отверстиях Наличие плазмонных резонансов в металлических нано структурах позволяет значи тельно увеличить эффективность генерации третьей гармоники в них из-за локального увеличения амплитуды поля вблизи нано структур. Известно, что максимальная эффек тивность генерации 3-й гармоники достигается при наличии одновременно двух резонан сов: на возбуждающей частоте и на частоте генерации 3-й гармоники.


Рис. 2. Спектры излучения (синие кривые) плнок Au (a) и Al (b) при их облучении фем тосекундными лазерными импульсами на длине волны 1540 нм. Чрным цветом показа ны расчтные спектры пропускания этих пленок плнок. На вставках приведены двумер ные изображения наноотверстий, образованные излучением на третьей гармонике в на ноотверстиях Для единичных наноотверстий с диаметром в диапазоне 50 – 300 нм и изготовлен ных в золотой плнке, плазмонный резонанс находится в диапазоне длин волн 500 - нм. При облучении такого наноотверстия излучением с длиной волны 1560 нм, частота излучения 3-й гармоники равна частоте плазмонного резонанса в золоте. Наличие такого резонанса приводит к росту эффективности преобразования излучения 3-й гармоники от наноотверстий, в сравнении с золотой плнкой без отверстий. Для отверстий в алюминие вой плнке плазмонный резонанс находится на длине волны 150 нм, поэтому при возбуж дении нано отверстия в Al на длине волны 1560 нм не возникает плазмонный резонанс, что не позволяет реализовать плазмонный механизм увеличения эффективности генера ции 3-й гармоники.

Нами было показано, что для отверстий в золотой пленке эффективность генерации 3-й гармоники более чем на порядок превышает соответствующую эффективность для от верстий такого же размера, но изготовленных в алюминиевой пленке. Максимальная по лученная в эксперименте эффективность генерации 3-й гармоники на золотом наноотвер стии составляет значение 810-10 и реализуется на наноотверстии диаметром 150 нм. Из измеренных данных следует, что эффективность генерации 3-й гармоники растт с увели чением диаметра отверстия.

В отличие от наноотверстия, единичная нанощель, может обладать не одним, а не сколькими резонансами, поскольку резонансная частота определяется не только оптиче скими свойствами материала плнки и е окружения, но и выбранной геометрией наноще ли. В литературе было показано, что выбором геометрии наноструктуры можно реализо вать условия резонанса в наноструктуре как на возбуждающей частоте, так и на частоте генерации 2-й гармоники. Это, в свою очередь, приводит к значительному увеличению эффективности генерации излучения на 2-й гармонике. Подход использования двойного резонанса применим и для увеличения генерации 3-й гармоники от наноструктур, в том числе и от нанощели.

Как показали наши расчты, резонанс в нанощели на длине волны 1,6 м в плнке алюминия реализуется при е длине около 600 нм. Щель такого большого размера не представляет особого интерес для создания источника излучения с нанометровой про странственной локализацией, поэтому она не исследовалась нами. В тоже время в нано щели возможно возбуждение плазмонного резонанса на длине волны генерации 3-й гар моники излучения (520 нм) при е длине менее 200 нм. Такой размер уже представляет значительный интерес для создания источника излучения с нанометровой пространствен ной локализацией. В данной работе возбуждение такого резонанса использовалось для увеличения эффективности генерации 3-й гармоники излучения на единичной нанощели.

Для выяснения влияния роли материала пленки на эффективность нанощели как не линейного элемента, мы провели измерения генерации 3-й гармоники на щелях различной длины от 50 нм до 300 нм в алюминиевой и золотой плнках. Измеренные значения эф фективности подтвердили резонансные свойства щели размером 50 нм 170 нм в алюми ниевой фольге.

4. Заключение Исследована возможность создания пространственной локализации фемтосекундно го лазерного излучения до значений порядка 50 нм. Реализованы два подхода к локализа ции фемтосекундного лазерного излучения на нанометровом маштабе: (1) использование нелинейных процессов в металлических наноструктурах для генерации третьей гармоники и (2) использование нелинейных процессов в нано объектах для возбуждения фотолюми нисценции. Показано, что чрезвычайно высокая оптическая восприимчивость 3-го поряд ка в металлических нанострукрурах и наличие сильных плазмонных резонансов, позволя ют реализовать эффективный нанолокализованный источник излучения на частоте гене рации 3-й гармоники и широкополосное фемтосекундное излучение на основе фотолюми нисценции металла.

Публикации и выступления на конференциях по результатам работ Статьи 1. П.Н. Мелентьев, А.Е. Афанасьев, А.А. Кузин, А.В. Заблоцкий, А.С. Батурин, и В.И. Балыкин «Экстремально большое прохождение света через наноотверстие внутри фотонного кристалла», ЖЭТФ, 142, 211 (2012) 2. P. N. Melentiev, T.V. Konstantinova, A. E. Afanasiev, A. A. Kuzin, A. V. Zablotskiy, A.S. Baturin and V. I.

Balykin, «Single nano-hole and photoluminescence: nano-localized and wavelength tunable light’s source», Optics Express, 20, 19474 (2012) 3. N. Melentiev, T.V. Konstantinova, A. E. Afanasiev, V. I. Balykin, Single nano-hole as a new effective nonli near element for third harmonic generation, Laser Physics Letters, (2012) Доклады на конференциях 1. International conference on nanoscience and technology, France, Paris, 2012, P. N. Melentiev, T.V.

Konstantinova, A. E. Afanasiev, A. A. Kuzin, A. V. Zablotskiy, A.S. Baturin and V. I. Balykin, Enhanced transmission of light through a nanohole embedded in the microcavity 2. Sixth International Congress on Advanced Electromagnetic Materials in Microwaves and Optics, St. Peterburg, 2012, P. N. Melentiev, T.V. Konstantinova, A. E. Afanasiev, A. A. Kuzin, A. V. Zablotskiy, A.S. Baturin and V. I. Balykin.

3. Russian- China Symposium, Russia, Moscow, 2012, V. I. Balykin and P. N. Melentiev, Nano spatially and femto temporally localized laser source Проект 5.7. Разработка и применение тиражируемых пико-фемтосекундных ЭОП, дифрактометрических и стрик-камер для прецизионных измерений в рамках исследований по настоящей Программе (Руководитель проекта: М.Я.Щелев, ИОФ РАН) В отчетном 2012 году были проведены оптимизационные расчеты разработанного ранее в рамках данной Программы гибридного устройства «ЭОП+ фотоэлектронная пуш ка». Цель этих расчетов состояла в минимизации простанственно-временных аберраций фокусирующих линз гибридного устройства, обеспечивающих пространственную фоку сировку фотоэлектронных изображений и временное «сжатие» электронных пучков на мишени. Показано, что для имеющихся сейчас в наличии в Отделе фотоэлектроники ИОФ РАН аппаратных средств, обеспечивающих формирование электрических импульсов с крутизной 2,41012В/с (960В/400пс), и используемых для управления линзой «временной фокусировки», предельно достижимая длительность «сжатых» электрических импульсов составляет ~ 200фс.

Результаты компьютерных экспериментов представлены на рис. 1, 2а, б. Из приве денного графика следует, что при изменении длительности исходного фотоэлектронного «пакета» в пределах от единиц фемтосекунд до десятка пикосекунд длительность «сжато го импульса» колеблется в пределах 200 – 250 фс. Это означает, что прикладываемое к динамической линзе фокусирующее поле имеет недостаточную крутизну. Поэтому, при достигнутой крутизне электрических импульсов, зависящее от времени фокусирующее поле не приводит к сколько-нибудь заметному сокращению длительности исходного фо тоэлектронного пакета, если длительность последнего менее одной пикосекунды!

дисперсия, фс Временная 0 2 4 6 8 10 Входной импульс, пс Рис. 1. График зависимости временной дисперсии «сжатого» пакета электронов от длительности электронного импульса, подаваемого на вход линзы для динамической фокусировки а б Рис. 2. Временная дисперсия пакета электронов в области мишени от 7пс входного импульса (а);

от 1фс входного импульса (б) Для дальнейшего сокращения длительности исходных фотоэлектронных импульсов необходимо повышать крутизну фокусирующего электрического поля, что влечет за со бой создание новой импульсной схемотехники. Более того, необходим поиск, а возможно и разработка нового поколения активных элементов (лавинных транзисторов, обострите лей ит.д.), обеспечивающих коммутацию электрических импульсов с амплитудой 1-10кВ при длительности переходной характеристики не более чем в сотни пикосекунд. Другими словами необходимо создать схемотехнические устройства, способные формировать ки ловольтные электрические импульсы с крутизной нарастания не менее 10 13 В/с. При этом время срабатывания таких устройств не должно превышать единиц наносекунд при неста бильностях срабатывания в единицы пикосекунд. Один из подходов к решению вышена званной проблемы состоит в разработке импульсных схем, содержащих цепочки из 12 по следовательно соединенных лавинных транзисторов и в использовании обострителей, реализованных несколько десятков лет тому назад в Ленинградском Физтехе в коллективе И.В. Грехова, А.Ф. Кардо-Сысоева и др. На рис. 3 показан общий вид одной из экспери ментальных камер, в которой были использованы вышеописанные импульсные схемы управления.

Для проведения новой серии статических и динамических испытаний в рамках на стоящей Программы в Отделе фотоэлектроники ИОФ РАН были изготовлены усовершен ствованные образцы гибридного устройства «ЭОП – фотоэлектронная пушка» (рис.4).

Рис. 3. Одна из экспериментальных камер для Рис. 4. Модернизированный образец проведения статических и динамических испы- гибридного устройства «ЭОП – фото таний гибридного устройства «ЭОП – фото- электронная пушка»

электронная пушка»

Эти гибридные устройства отличаются от предыдущих тем, что в них блок «фотока тод-сетка» выполнен в виде «сосредоточенной емкости» с низкоиндуктивной системой подачи импульсного напряжения на промежуток «фотокатод-сетка». Такая конструкция при собственной резонансной частоте эквивалентного контура (~ 500МГц), образованного подводящими электродами, обеспечивает подачу импульсного питания к промежутку фо токатод-сетка, с фронтами нарастания и спада менее 1 нс. Это означает, что в режиме ЭОП наше усовершенствованное гибридное устройство должно обеспечить достижение временного разрешения не хуже 100 фс при импульсной напряженности поля 25 кВ/мм (электрические импульсы амплитудой 12,5 кВ прикладываются к 0,5 мм промежутку фотокатод-сетка).


В целом проведение полномасштабных диагностических испытаний изготовленных в 2012году гибридных устройств «ЭОП- фотоэлектронная пушка» переносится на сле дующий 2013год.

Публикации и выступления на конференциях по результатам работ 1. М.Я. Щелев, Пико-фемто-аттосекундная фотоэлектроника, УФН, т.122, №6, с.с. 649-656, (2012).

2. N.N. Ageeva, I.L. Bronevoi, P.B. Gornostaev, A.N. Krivonosov, V.I. Losovoi, V.I. Pelipenko, E.V. Shashkov, N.S. Vorob’ev, D.N. Zabegaev, PS-1/S1 picosecond streak camera time-intensity profile measurements of sti mulated radiation from GaAs, Programme and Book of Abstracts of the 30-th ICHSIP, Pretoria, South Africa, 16-21 September 2012, p. 2, 2012.

3. М.Я. Щелев, 60-летний юбилей Международных конгрессов по высокоскоростной фотографии и фотонике (г.Претория, ЮАР), Вестник РАН (в печати №3, 2013).

НАПРАВЛЕНИЕ 6:

Новые оптические материалы и элементная база для лазеров с экстремальными параметрами Проект 6.1. Создание керамических активных элементов для мощных твердотельных лазеров (Руководители проекта: В.Б. Кравченко, Ю.Л. Копылов, ФИРЭ РАН) В группах исследователей США, Европы и КНР в последние годы для получения оксидных лазерных керамик успешно используется метод реактивного спекания, когда требуемое соединение, например, иттрий-алюминиевый гранат (ИАГ), синтезируется в процессе спекания из смеси исходных порошков оксидов. Этот метод менее трудоемок и более воспроизводим по сравнению с “методом Konoshima Chemical”, целиком основан ном на предварительном химическом синтезе нанопорошков ИАГ или другого требуемого соединения. Однако метод реактивного спекания предъявляет жсткие требования к мор фологии, дисперсности и агломерированности исходных порошков оксидов. Для керамик на основе оксида иттрия в нашей работе использовались порошки Yb3+:(LaxY1-x)2O3, по лученные методом лазерного распыления в ИЭФ УрО РАН (М.Г. Иванов), методом гомо генного со-осаждения в ФИРЭ РАН, а также смешения со-осажденных (YbхY1-x)2O3 и La2O3. В случае лазерного распыления порошки представляли собой сферические слабо агломерированные частицы. В случае со-осажденных порошков частицы имели почти идеальную сферическую форму и были свобод ны от агломерации. Размер наночастиц мог кон тролироваться условиями эксперимента. На рис. 1 показан со-осажденный порошок (Yb0,1La0.1Y0.8)2O3. Видна слабая полидисперс ность.

Для керамик ИАГ использовались смеси коммерческих порошков оксидов иттрия и алю миния и смеси со-осажденного порошка иттрия, легированного неодимом, или иттербием, с коммерческими порошками оксида алюминия.

На рис. 2 показан со-осажденный порошок оксида иттрия, легированного неодимом, а на рис. 3 коммерческий порошок оксида алюминия, Рис. 1. Порошок (Yb0,1La0.1Y0,8)2O3, обеспечивший наилучшие характеристики кера полученный гомогенным со-осаждением мики для обоих типов порошков оксида иттрия.

Порошок оксида иттрия состоит из частиц почти идеальной сферической формы Рис. 2. Порошок Y2O3:Nd2О3 (1% ) Рис. 3. Порошок Al2O Нанопорошки Yb3+:(LaxY1-x)2O3, полученные методом лазерного испарения в ИЭФ УрО РАН (М.Г. Иванов), были подготовлены для компактирования в ФИРЭ РАН, а также скомпактированы методом магнитно-импульсного прессования в ИЭФ УрО РАН (С.Н.

Паранин) и холодного изостатического прессования в Шанхайском институте керамики АН КНР (г. Шанхай). Образцы ИАГ и (Yb0,1La0.1Y0.8)2O3 из порошков, полученных в ФИРЭ РАН, компактировались одноосным сухим прессованием, шликерным литьем, хо лодным квази-изостатическим прессованием и холодным изостатическим прессованием в Шанхайском институте керамики АН КНР.

Магнитно-импульсным методом нанопорошки прессовались при амплитуде импуль сов давления до 1,2 ГПа и длительности 300 - 500 мкс в диски диаметром 15 мм и толщи ной 1,5 – 3 мм плотностью от 63% до 70% от теоретической. Холодное изостатическое (и квази-изостатическое) прессование выполнялось при давлении 250 МПа. Были получены образцы в виде дисков диаметрами 20 мм и 30 мм, толщиной от 4 мм до 7 мм. Плотность образцов составляла от 51 % до 57 % от теоретической в зависимости от условий подго товки нанопорошка для компактирования.

Усадку керамики при спекании исследовали дилатометрическим анализом. Исследо вания проводились в интервале температур от 20 до 1500°С в вакууме при остаточном давлении 3x10-4 Па и в воздушной атмосфере с расходом газа 100 л/ч как при нагревании, так и при охлаждении образца с помощью автоматического дилатометра Netzsch 402C.

Быстрая усадка компактов, спрессованных из нанопорошков оксида иттрия с моноклин ной кристаллической структурой, начинается при температурах порядка 1200°С. В ком пактах, изготовленных из нанопорошков с моноклинной структурой, на температуре 1100°С происходит резкое, почти скачкообразное расширение dL/L0=0,015, которое связа но с фазовым переходом из моноклинной в кубическую структуру Y2O3 с меньшей плот ностью. Вплоть до температуры 13501400 °С процесс усадки компенсируется расшире нием, вызванным фазовым переходом. Быстрая усадка этих компактов начинается только после достижения температуры 1400 °С. Вне зависимости от исходного кристаллического состояния нанопорошков процесс быстрого уплотнения завершается при достижении температуры 1500°С.

Спекание компактов на основе оксида иттрия и ИАГ проводилось в вакууме 3x10- Па при температурах от 1600 до 1770оС. Прозрачные образцы керамик как оксида иттрия, так и ИАГ получались при температурах от 1600 до 1680оС. По данным дилатометриче ских исследований выбирался режим нагрева, который, по возможности, обеспечивал ли нейную усадку. Для устранения пор время выдержки при максимальной температуре дос тигало 10 – 15 часов.

Для оксида иттрия, полученного из лазерно-распыленных порошков, оценивалась также возможность спекания керамики при использовании высокочастотного нагрева, эксперименты выполнялись в ИПФ РАН.

На рис.5 (верхний) показаны образцы спеченной керамики Yb0,11La0,23Y1,66O3. Образ цы (Yb0,1La0.1Y0.9)2O3, полученные из со-осажденных порошков, выглядят аналогично. На рис.5 (нижний) показаны образцы спеченной керамики ИАГ, легированной и нелегиро ванной неодимом, а также керамики, содержащей до 0.1 массового процента ZrO2. Дву окись циркония появляется в составе керамики в результате технологического передела.

Количество этой примеси может регулироваться изменением тех. процесса. Характерная окраска, связанная с наличием трехвалентных ионов циркония, исчезает после отжига об разцов на воздухе. На рис. 4 (верхний) приведены спектры нелегированного ИАГ и Y2О3 La-Yb. Оба спектра характерны для керамик, практически не имеющих пор. Видно, что полоса, отвечающая за окраску ИАГ ионами Zr3+, полностью отсутствует. Однако видно небольшое (1-2%) снижение пропускания в синей и видимой частях спектра, связанное, по нашему мнению, с неполным удалением технологической органики из порошков перед компактированием. Устранение этого недостатка в ближайшем будущем особого труда не составит.

1, YAG Y2O3-La-Yb 0, Transmittance 0, 0, 0, 0, 200 400 600 800 1000 1200 1400 Wavelength (nm) Рис. 5. внешний вид образцов оксида иттрия (верхний) Рис. 4. Спектры пропускания образцов и ИАГ (нижний) Yb0,11La0,23Y1,66O3 и чистого ИАГ На рис.4 (нижний) показан спектр пропускания керамики Y2О3-La-Yb, полученной из лазерно-распыленного нанопорошка и имеющей незначительное число наноразмерных пор, что обуславливает снижение пропускания в синей части спектра. Это, впрочем не сказывается на пропускание в более длинноволновой части спектра, где пропускание об разца толщиной 1 мм на длине волны 636 нм составляет 84,7% и почти не изменяется от 0,6 мкм до 1,7 мкм, за исключением диапазона 0,861,04 мкм, где поглощение определя ется ионами иттербия. В образцах керамик, полученных холодным изостатическим прес сованием, дефекты упаковки и поры, ими вызванные, практически отсутствуют. В образ цах полученных магнито-импульсным прессованием, присутствуют два типа дефектов:

поры с характерным размером 13 мкм и пустоты с размером 20 – 50 мкм. Пористость по лученных образцов варьировалась от 1 до 100 ppm. В образцах, полученных холодным квази-изостатическим прессованием, иногда присутствуют дефекты в виде трещин, вы званных резким расширением воздуха в порах компакта после снятия нагрузки. Этот вид дефектов, видимо, можно удалить предварительным вакуумированием образцов. В целом, содержание пор зависит от того, насколько удачно был деагломерирован исходный нано порошок. Количество крупных пустот определяется процессом компактирования, т.е. од нородностью распределения плотности в компакте.

Таким образом, разработана методика получения исходных нанопорошков оксида иттрия с разными добавками и методика получения твердофазным синтезом с использо ванием этих порошков легированных керамик оксида иттрия и ИАГ лазерного качества с пропусканием выше 80% на длине волны генерации.

Полученные образцы керамики Yb3+:(LaxY1-x)2O3 переданы в ИПФ РАН (г. Н. Новго род) и ИЛФ СО РАН (г. Новосибирск) для исследования генерационных характеристик.

Подготавливаются к передаче образцы керамик ИАГ.

Публикации и выступления на конференциях по результатам работ Лазерный синтез нанопорошков и их использование для спекания высокоплотной керамики. / Иванов М.Г. // Всероссийская научно-практическая конференция «Функциональная керамика и пассивные электронные компоненты – 2012» г. Нижний Новгород, 22-24 мая 2012 г.

Изготовление высокоплотной керамики из нанопорошков, полученных методом лазерного синтеза / Иванов М.Г. // Международный научно-промышленный форум «Техническое перевооружение машиностроительных предприятий России», Екатеринбург, 2-4 октября 2012 г.

Sintering and optical quality of highly transparent Yb doped yttrium lanthanum oxide ceramics / M.G. Ivanov, Yu.L. Kopylov // The 8th Laser Ceramics Symposium: International Symposium on Transparent Ceramics for Laser (LCS-8), December 4-7, 2012, Nizniy Novgorod, Russia.

S.N. Bagayev, A.A. Kaminskii, Yu.L. Kopylov, I.M. Kotelyanskii, V.B. Kravchenko. Simple method to join YAG ceramics and crystals. Optical Materials, 34 (2012) 951–954.

Копылов Ю.Л., Кравченко В.Б, Лузанов В.А., Шемет В.В Аггломерация при синтезе нанопорошков M2O (M=Y,Al) для оптической керамики. VII Международная научная конференция «Кинетика и механизм кристаллизации. Кристаллизация и материалы нового поколения». Иваново, 25-28 сентября 2012 г. Тезисы докладов. Институт химии растворов РАН, Иваново, 2012, с. 134.

N.A.Dulina, A.V.Tolmachev, R.P.Yavetskiy, А.V. Lopin, S.V. Parkhomenko, O.V. Zelenskaya, V.B.Kravchenko, Yu.L.Kopylov. Fabrication and Characterization of RE2O3 (RE=Y,Lu) Nanopowders and Optical Ceramics. China Russian Forum on Ferroelectric/Optical Materials and Applications (CRFFOMA-2012), Shanghai, April 23-28, 2012. Technical Program. SICCAS, 2012, p. 15.

Gulyaev Yu. V., Kopylov Yu.L., Kravchenko V. B. Oxide Optical Ceramics for Medical Applications. China Russian Forum on Ferroelectric/Optical Materials and Applications (CRFFOMA-2012), Shanghai, April 23-28, 2012. Technical Program. SICCAS, 2012, p. 10.

Kopylov Yu.L., Kotelyanskiy I.M., Kravchenko V. B., Luzanov V.A. New Method of Bonding Solid-State Devic es’ Components Made of High-melting Oxides. China-Russian Forum on Ferroelectric/Optical Materials and Appli cations (CRFFOMA-2012), Shanghai, April 23-28, 2012. Technical Program. SICCAS, 2012, p. 36.

Копылов Ю. Л., Котелянский И. М., Кравченко В. Б.,Лузанов В.А., Соболев А. Т. Твыердофазный рост кристаллов ИАГ в керамиках разной стехиометрии. Оптика и спектроскопия конденсированных сред.

Материалы ХVIII Всероссийской конференции. Краснодар, 18-22 сентября 2012 г. Краснодар, КубГУ (2012), 129-133.

N.A. Dulina, Yu.L. Kopylov, V.B. Kravchenko, А.V. Lopin, S.V. Parkhomenko, V.V.Shemet,A.V. Tolmachev, R.P. Yavetskiy, O.V. Zelenskaya. PREPARATION OF RE2O3 (RE=Y, Lu) NANOPOWDERS AND OPTICAL CERAMICS 3d Intern. Conf. on the Physics of Optical Materials and Devices ICOM 2012, Belgrade, Serbia, Sept.

3d-6th 2012. Book of Abstracts, 2012, p. 239.

Багаев С.Н., Каминский А.А., Кравченко В.Б., Копылов Ю.Л. Получение наноразмерных порошков M2O (M=Y,Lu,Sc) и оптических керамик на их основе. IV Международная конференция с элементами научной школы для молодежи «Функциональные наноматериалы и высокочистые вещества», Суздаль. 1-5 октября 2012 г./ Сборник материалов. ИМЕТ РАН, 2012, с. 147-149.

Копылов Ю. Л., Котелянский И. М., Кравченко В. Б., Лузанов В.А. Твердофазный рост кристаллов Y3Al5O в керамиках. Конференция стран СНГ по росту кристаллов РК СНГ-2012. Харьков, 1-5 октября 2012 г. Тези сы докладов. Харьков, НТК «ИМК» НАНУ, 2012, с. 60.

Д.Ю.Касьянов, О.М.Вовк, А.Г.Дорошенко, Ю.Л.. Копылов, В.Б.Кравченко, Н.А.Матвеевская, А.В.Толмачев, Р.П.Явецкий. Влияние SO42- - ионов на структурно-морфологические свойства осажденных нанопорошков Y2O3.. Конференция стран СНГ по росту кристаллов РК СНГ-2012. Харьков, 1-5 октября г. Тезисы докладов. Харьков, НТК «ИМК» НАНУ, 2012, с. 209.

Yu.L. Kopylov, V.B. Kravchenko, N.A. Dulina, A.V. Lopin, S.V. Parkhomenkо, A.V.Tolmachev, R.P. Yavetskiy, Fabrication and characterization of Eu3+-doped Lu2O3 scintillation ceramics.

O.V. Zelenskaya.

http://dx.doi.org/10.1016/j.optmat.2012.04.020 (принята к печати).

S.N. Bagayev, A.A. Kaminskii, Yu.L. Kopylov, I.M. Kotelyanskii, V.B. Kravchenko,, V.A.Luzanov. Single crystal growth in YAG ceramics of different stoichiometry. http://dx.doi.org/10.1016/j.optmat.2012.07.019 (принята к пе чати).

A.G.Doroshenko, D.Yu.Kosyanov, P.V.Mateychenko, N.A.Matveevskaya, S.P.Parchomenko, V.M.Puzikov, A.V.Tolmachev, R.P.Yavetskiy, Yu.L.Kopylov, V.B.Kravchenko. Comparision of Nd:YAG Optical Ceramics Produced by Different Sintering Routes. Proceed. Intern. Conf. on Oxide Materials for Electronic Engineering (OMEE-2012), Lviv, Sept. 3-7, 2012. Nationalny Universitet Lvivsky Polytechnika, Lviv, Ukraine, 2012, p. 21-22.

Проект 6.2. Разработка технологии синтеза высокопрозрачных керамик для мощных лазерных систем (Руководитель проекта: В.В. Осипов, ИЭФ УрО РАН) Создание керамик нового состава с разупорядоченной кристаллической структурой представляет интерес для развития лазеров с фемтосекундной длительностью излучения.

Ранее для этих целей в известную керамику вводились изовалентные элементы. В послед ние годы в керамику в качестве спекающих добавок стали вводиться гетеровалентные ио ны. Цель настоящей работы исследовать влияние изовалентных (Lu3+, Sc3+) и гетеровален тых (Zr4+, Hf4+) ионов на характеристики Nd3+:Y2O3 керамики.

Для приготовления керамик использовались нанопорошки со средними размерами 12-15 нм, полученные методом лазерного синтеза. Порошки прессовались в диски диа метром 15 нм, толщиной 3-4 нм и относительной плотностью 46-51 %. Спекание компак тов производилось при температуре 1950С в течение 10-20 часов.

После спекания образцы отжигались при температуре 1350С в течение 4 часов, шлифовались и полировались. Их фото приведено на рис. 1.

Рис. 1. Фотографии образцов синтезированных керамик При анализе их оптических характеристик установлено, что добавки ZrO2, HfO2, Lu2O3 и Sc2O3 в Nd3+(Yb3+):Y2O3 не вносят изменений в спектр пропускания. В области лазерной генерации (1,06 мкм) светопропускание керамик [(Nd0,01Y0,99)2O3]0,88(ZrO2)0, (82,15%) оказалось выше, чем у беспримесной керамики (Nd0,01Y0,99)2O3 – 81,34 %, а для образца [(Yb0,01Lu0,24Y0,75)2O3]0,88(ZrO2)0,12 этот параметр составлял 80,57%. При измерени ях ширины спектральной линии лазерного перехода иона неодима показано, что на уровне 0,4 от максимальной интенсивности в Nd:Y2O3 с добавками ZrO2 она составляет 36 нм, а при добавлении еще и Sc2O3 достигает 40 нм. При введении этих же добавок в Yb:Y2O штарковские подуровни с центрами 1032 и 1075 перехода 2F5/22F7/2 перекрывались на уровне максимальной интенсивности 0,25 –0,69. При этом ширина этой полосы в [(Yb0,01Lu0,24Y0,75)2O3]0,88(ZrO2)0,12 на уровне 0,4 максимальной интенсивности составляла ~ 60 нм (рис. 2).

Рис. 2. Спектры ИК люминесценции образцов керамик, активированных ионами Yb3+ Генерация излучения в ИЛФ СО РАН получена в керамике (Nd0,01Y0,99)2O3 (ранее) и недавно в [(Yb0,01Lu0,24Y0,75)2O3]0,88(ZrO2)0,12 с дифференциальной эффективностью 29,2%.

Генерация отсутствовала в керамике состава (Nd0,01Y0,99)2O3]0,88(ZrO2)0,12, обладавшей наи большей прозрачностью. Для выяснения причин относительно низкой интенсивности и ее отсутствия были проведены кинетические исследования люминесценции на оптических переходах с верхних лазерных уровней. Эти исследования в керамике (Nd0,01Y0,99)2O3]0,94(ZrO2)0,06 показали, что эффективное время ef, соответствующее уменьшению интенсивности свечения в е раз, существенно снижается с уменьшением длительности возбуждения ex (рис. 3).

Рис. 3. Изменение ef в керамике (Nd0,01Y0,99)2O3]0,94(ZrO2)0,06 с изменением длительности возбуждения. На вставке приведена осциллограмма кинетики ИК люминесценции при tex= 800 мкс При компьютерной аппроксимации спада интенсивности фотолюминесценции I0 бы ло обнаружено, что с коэффициентом корреляции более 0,99 спад описывается экспонен той t t I (t ) I 0 exp, P F где P и F – радиационное время жизни и ферстеровское время тушения излучательного уровня.

В спектрах пропускания керамик из "чистого" Y2O3 и с добавками циркония и гаф ния обнаружены две слабые полосы поглощения при = 821 и = 852 нм. По-видимому, именно эти центры поглощения выступают в роли акцепторов в беспримесной керамике Nd3+:Y2O3, обеспечивающих тушение верхних рабочих уровней Nd3+ c F = 3000 мкс. С до бавками Zr и Hf это время значительно меньше. Предполагается, что в этом случае, кроме известного механизма тушения на собственных дефектах-акцепторах, роль акцепторов выполняют примесные дефекты, представляющие собой ионы Zr3+ (Hf3+), расположенные в искаженных тетраэдрах, образовавшихся при спекании. Присутствие Zr 3+ и Hf3+ обна ружено при анализе спектров люминесценции этих керамик.

Таким образом, в работе предложена и синтезирована керамика нового состава, в ко торой получена генерация излучения при допировании ее ионами Yb 3+ с дифференциаль ной эффективностью 29,2 %. При допировании этой керамики Nd3+ генерация отсутство вала. Дано объяснение причин снижения эффективности и отсутствия генерации за счет ферстеровского тушения верхних лазерных уровней собственными и примесными акцеп торами, в роли которых выступают ионы Zr3+ и Hf3+.

Публикации и выступления на конференциях по результатам работ 1. S.N. Bagayev, V.V. Osipov, V.A. Shitov, E.V. Pestryakov, V.S. Kijko, R.N. Maksimov, K.E. Lukyashin, A.N.

Orlov, K.V. Polyakov, V.V. Petrov "Fabrication and optical properties of Y2O3-based ceramics with broad emission bandwidth", Journal of the European Ceramic Society 32 (2012) 4257– 2. В.В. Осипов, В.И. Соломонов, В.А. Шитов, Р.Н. Максимов, К.Е. Лукьяшин, А.Н. Орлов "Керамика с разупорядоченной кристаллической структурой для активных элементов лазеров", Оптика атмосферы и океана. 2012. Т. 25, № 3. С. 207-209.

3. S.N. Bagayev, V.V. Osipov, V.I. Solomonov, V.A. Shitov, R.N. Maksimov, K.E. Lukyashin, S.M. Vatnik, I.A. Vedin. "Fabrication of Nd3+:YAG laser ceramics with various approaches", Optical Materials, 34 (2012), Pp. 1482-1487.

4. С.Н. Багаев, В.В. Осипов, В.И. Соломонов, В.А. Шитов, С.М. Ватник, В.В. Платонов, К.Е. Лукьяшин, А.Н. Орлов, Р.Н. Максимов, И.А. Ведин. "Лазерная Nd3+:YAG керамика", Перспективные материалы, (08-2012) №4 - 2012, С. 18-28.



Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 | 6 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.