Сегодня - 02.07.2020

Беспорядок на службе оптики

05 мая 2012

Ученые Института физики им. Л. В. Киренского придумали, как с помощью разупорядоченных кристаллов изменять параметры лазерного излучения. Это можно использовать для работы с ультракороткими импульсами, которые в свою очередь служат инструментом изучения быстропротекающих элементарных физических явлений, например, молекулярной динамики или колебаний кристаллической решетки.

Однажды на конференции в Институте ядерной физики им. Г. И. Будкера один из ученых, в то время, как журналисты в очередной раз терзали его практической значимостью полученных результатов, ответил, что все, что нас окружает, когда-то было результатом фундаментальных исследований. В лаборатории когерентной оптики Института физики им. Л. В. Киренского занимаются именно такими разработками: интересными, прежде всего, с точки зрения новой информации о мире. Хотя, конечно, нельзя исключить, что через несколько лет они могут стать частью повседневной жизни.

Научный сотрудник Института физики им. Л. В. Киренского СО РАН, кандидат физико-математических наук Андрей Михайлович Вьюнышев показывает мне кристаллы, с которыми работают в лаборатории. Они похожи на обычные стекляшки из любой бижутерии.

— Кристаллы получены сотрудниками лаборатории кристаллофизики нашего института Александром Ивановичем Зайцевым и Анатолием Васильевичем Замковым. Кристаллы содержат набор слоев (доменов), отличающихся физическими свойствами, которые формируют доменные структуры. Кристаллографическая ось каждого домена повернута на 180 градусов относительно таковой в предыдущем. Это никак не отражается на линейных оптических свойствах исследуемых кристаллов, однако, приводит к модуляции нелинейно-оптического отклика среды при распространении мощного лазерного излучения. Толщина доменов беспорядочно изменяется вдоль всей последовательности, сохраняясь постоянной в пределах текущего домена.

На фотографии Андрей Вьюнышев и Александр Александровский за работойТакие беспорядочные структуры оказались полезными для нелинейно-оптического преобразования частоты лазерного излучения. Во-первых, разупорядоченность доменов по толщине позволяет реализовать в чистом виде так называемый стохастический квазисинхронизм в одномерных доменных структурах естественного происхождения, что делает наш кристалл уникальным объектом для исследования этого типа преобразования. Во-вторых, наличие доменной структуры в сочетании с рекордной полосой прозрачности кристалла, простирающейся далеко в вакуумный ультрафиолет (где даже воздух непрозрачен), позволяет преобразовывать лазерное излучение в этот спектральный диапазон, в котором проблема получения когерентного света стоит наиболее остро.

— Нелинейная дифракция – еще одно экзотическое явление, наблюдающееся в наших образцах. Суть его в том, что при распространении излучения в доменных структурах генерируется другое излучение, но уже на удвоенной частоте: в виде двух пучков под некоторым углом к основному, как показано на рисунке. Группой исследователей Института физики им. Л. В. Киренского получен рекорд эффективности преобразования для этого процесса.

— В 2011 году мы продемонстрировали, что данные кристаллы могут быть использованы для измерения длительности ультракоротких импульсов, например, фемтосекундных. Одна фемтосекунда – это 10 в минус 15 степени секунды. Электронные устройства не могут измерять длительность меньше, чем несколько пикосекунд (10 в минус 12 степени секунды), но в физике существует ряд элементарных процессов (динамика молекулярных колебаний, протекание химических реакций, распространение фононов и др.), которые находятся на фемтосекундной шкале времени. Основным инструментом в этих исследованиях являются ультракороткие импульсы.

В качестве примера можно привести исследование протекания химических реакций. Схема эксперимента осуществляется по принципу «накачка-зондирование», в которой первый, как правило, - мощный импульс накачки инициирует исследуемый процесс, а второй – более слабый является зондирующим. Оба они направляются в интересующее вещество и, изменяя интервал времени между импульсами, можно исследовать протекание процесса. Например, испаряя металл, синхронно измерять коэффициент отражения от его поверхности, что может рассказать специалистам о многом.
Картина нелинейной дифракции. Центральное пятно соответствует излучению лазера, прошедшему через кристалл; боковые пятна – генерируемое излучение на удвоенной частоте.
Сейчас широкое распространение получила фемтохимия. Если раньше исследовали продукты химической реакции, сейчас появилась возможность изучать, как она протекает во времени, регистрировать разрыв элементарных связей, образование переходных кластеров и новых связей. В перспективе можно будет синтезировать вещества с заданными свойствами, которые не получаются в обычных условиях.

Другой пример - визуализация фононных колебаний, то есть мы можем наблюдать тепловые колебания кристаллической решетки в твердом теле. В этом случае мощный инфракрасный импульс, падающий на поверхность твердого тела, поглощаясь, возбуждает фононные колебания. В качестве зондирующего используется импульс, лежащий в рентгеновском диапазоне спектра. По результатам можно судить о характере фононных колебаний и определить физические величины, характеризующие этот процесс.

— Именно для этого требуется развитие простых методик диагностики ультракоротких импульсов, и наши кристаллы оказались пригодными для таких целей. Из-за сильной разупорядоченности доменных структур можно измерять импульсы в широком спектральном диапазоне. Исходный импульс с помощью пластинки делится на два, после чего они фокусируются в нелинейный кристалл. Когда импульсы начинают перекрываться, возникает так называемый сигнал автокорреляции на удвоенной частоте, как показано на рисунке (центральный пучок). Измерив зависимость мощности сигнала от задержки, можно определить длительность импульсов.


Изменение наблюдаемой в эксперименте картины нелинейно-оптического взаимодействия в разупорядоченных доменных структурах. Интенсивность боковых пятен не зависит от задержки между импульсами. Центральное пятно – сигнал автокорреляции.

 

 

 


Однако такое необычное применение кристаллов с разупорядоченной доменной структурой сейчас находится в стадии эксперимента. Пока не удается управлять характеристиками доменной структуры, а значит, на выходе получается кристалл, к которому определенным образом нужно приспосабливаться. Когда получится решить эту проблему, тогда можно будет говорить о массовой разработке приборов на их основе. Сотрудники Института физики им. Л. В. Киренского прикладывают все усилия, для того чтобы приблизить день, когда «беспорядок» будет служить человеку.

Юлия Позднякова

Подробно о работе с измерением ультракоротких импульсов можно прочитать здесь и здесь.
Фото предоставлены А. Вьюнышевым.

Ваша оценка: Нет Средняя: 5 (4 votes)
Поделись с друзьями: 

Система Orphus