Հայաստանի ատենախոսությունների բաց մատչելիության պահոց = Open Access Repository of the Armenian Electronic Theses and Dissertations (Armenian ETD-OA) = Репозиторий диссертаций Армении открытого доступа

Մի քանի տատանմամբ ինֆրակարմիր ճառագայթման իմպուլսի գեներացիան և նրա փուլի շեղման որոշումը

Հովհաննիսյան, Գևորգ Դավթի (2015) Մի քանի տատանմամբ ինֆրակարմիր ճառագայթման իմպուլսի գեներացիան և նրա փուլի շեղման որոշումը. PhD thesis, ԵՊՀ.

[img]
Preview
PDF (Tesis)
Available under License Creative Commons Attribution.

Download (8Mb) | Preview
    [img]
    Preview
    PDF (Abstract)
    Available under License Creative Commons Attribution.

    Download (1056Kb) | Preview

      Abstract

      Проблема загрязнения окружающей среды продуктами деятельности человека всё острее встаёт перед современным обществом. Техногенные выбросы различных газов в атмосферу приводят к изменению её химического состава и оптических свойств, что не только ухудшает качество вдыхаемого человеком воздуха, но и способствует изменению климата на планете в целом. Заметный вклад в загрязнение окружающей среды вносят различные углеводороды, которые активно используются самыми разными отраслями современного производства и транспортом. По существу, лазерный мониторинг атмосферы единственная возможность быстрого, как дистанционного, так и локального мониторинга загрязнений. В последние годы исследуются возможности создания компактной техники и устройств генерации и приема электромагнитного излучения среднего ИК и терагерцового диапазонов длин волн. И в этом отношении средний ИК диапазон является уникальной областью спектра. Прежде всего, в этом диапазоне расположены «окна» прозрачности атмосферы (3-5 мкм, 8-12 мкм и др.) и различные источники теплового излучения. Кроме того, в среднем ИК диапазоне лежат линии поглощения колебательных переходов - “маркеров” характерных разнообразных молекул. Кроме того, излучение среднего ИК диапазона в «окнах» прозрачности менее подвержено влиянию погодных условий или рассеянию, чем излучения ближнего ИК, видимого или ультрафиолетового диапазонов. В абсорбционной спектроскопии, относящейся к числу оптических методов, выделяются два метода: фотоэлектрический и фотографический. В фотоэлектрическом методе фотоприемным устройством, преобразующим световой сигнал в электрический, регистрируется небольшой спектральный интервал, как правило, соответствующий одной линии. В фотографическом методе абсорбционной спектроскопии, где в качестве зондирующего излучения используется импульсное широкополосное ИК излучение, временное разрешение несколько ниже, чем в фотоэлектрическом методе и определяется длительностью широкополосного ИК излучения. Возможности продвижения фотографического-нестационарного метода абсорбционной спектроскопии в среднюю ИК область связаны с внедрением нелинейно-оптических методов. Нелинейная оптика дает возможности как получения широкополосного импульса ИК излучения, так и широкополосной регистрации ИК спектров. Получение широкополосного ИК излучения возможно в нелинейно-оптических кристаллах в процессе генерации излучения на разностной частоте (ИРЧ) в поле фемтосекундного лазерного импульса (ФЛИ). При нелинейном взаимодействии ФЛИ с нелинейным кристаллом, из широкого спектра ФЛИ выделяются множество пар частотных компонент, смешение которых приводит к генерации широкополосного ИК излучения. Применение нелинейно-оптических кристаллов с регулярной доменной структурой (РДС) позволяет реализовать условия фазового синхронизма взаимодействующих волн для генерации излучения как на суммарной так и разностной частотах практически в любых, в том числе в изотропных (но не центросимметричных) кристаллических средах за счет компенсации сдвига обобщенной фазы при переходе от одного домена к другому (так называемый "квазисинхронизм"). Другим важным свойством РДС-кристаллов являются снятие любых ограничений на состояние поляризации взаимодействующих волн. Другими словами, в РДС-кристаллах возможны все типы взаимодействия, в частности, шесть типов для одноосных кристаллов: oo-o, oo-e, oe-e, eo-e,ee-o и ее-е. Одним из важнейших свойств РДС-кристаллов является возможность одновременной генерации двух и более оптических гармоник или суммарных и разностных частот в одном нелинейном кристалле. Для реализации такой "многочастотной" генерации необходимо выбрать длину домена РДС-кристалла такой, чтобы она была равна нечетному числу когерентных длин для всех процессов, учавствующих во взаимодействии волн. Вместе с тем, следует отметить, что для нестационарной ИК спектроскопии многоатомных молекул, исследования процессов возбуждения и релаксации многоатомных молекул, разработки методов получения неравновесных внутримолекулярных возбуждений, изучения физики узкозонных полупроводников и разработки импульсных ИК лазеров со стабилизацией фазы несущей частоты относительно огибающей принципиальное значение имеет создание нелинейно-оптического метода определения смещения фазы несущей частоты широкополосного ИК импульса относительно огибающей.Таким образом, развитие систем нестационарной ИК лазерной спектроскопии во многом будет определяться совершенствованием технологии производства лазеров среднего ИК-диапазона, повышением эффективности генерации широкополосного излучения разностной частоты нелинейно-оптическим методом с использование кристаллов с РДС и возможностью мониторинга во времени изменения фазы ИК импульса. Из вышеизложенного следует актуальность работы, обусловленная как фундаментальным интересом к проблеме получения и изучения свойств импульсного излучения в среднем ИК диапазоне длин волн длительностью несколько колебаний, так и возможным практическим применением в нестационарной ИК спектроскопии. Հետազոտված է ֆեմտովայրկյանային լազերային իմպուլսի տարածական սահմանափակվածության ազդեցությունը պարբերական դոմենային կառուցվածքով GaAs–ի բյուրեղում տարբերային հաճախականության ճառագայթման (ՏՀՃ) գեներացիայի արդյունավետության վրա: Ցույց է տրվել, որ ՏՀՃ տարածման ժամանակ, լայնական բաշխվածությունում տեղի է ունենում տարածական սպեկտրալ – անկյունային զտում: Ստացվել է արտահայտություն ՏՀՃ հաճախականային – անկյունային սպեկտրի համար: Ցույց է տրվել, որ 1.716 մմ հաստությամբ և 74.6 մկմ պարբերությամբ պարբերական դոմենային կառուցվածքով GaAs –ի բյուրեղում տարածվող 100 ֆվ տևողությամբ, 1.98 մկմ ալիքի երկարությամբ, 24 մկմ շառավղով և 30նՋ էներգիայով ֆեմտովայրկյանային մղման փնջի դեպքում, 14 մկմ ալիքի երկարությանը համապատասխանող ՏՀՃ գեներացիայի էֆեկտիվությունը կազմում է 2x10-6: Միաուղղված ալիքների մոտարկմամբ դուրս է բերված մասնակի ածանցյալներով կապված դիֆֆերենցիալ հավասարումների համակարգ, որը նկարագրում է փոխուղղահայաց գծայնորեն բևեռացված մի քանի տատանում տևողությամբ լազերային իմպուլսների էլեկտրական դաշտի փոփոխությունը ոչ գծային միջավայրում տարածվելիս թույլ արտահայտված խրոմատիկ դիսպերսիայի դեպքում: Դիտարկված է պարբերային բևեռացմամբ GaAs բյուրեղում մի քանի օպտիկական պարբերության տևողությամբ լազերային իմպուլսի՝ տարածման միջոցով ՏՀՃ գեներացիայի պրոցեսը թույլ արտահայտված դիսպերսիայի ռեժիմում: Ուղիղների եղանակի միջոցով ստացված է ոչ գծային մասնավոր ածանցյալներով կապված դիֆերենցիալ հավասարումների համակարգի թվային լուծումը, որը նկարագրում է մի քանի պարբերության տևողությամբ լազերային իմպուլսի էլեկտրական դաշտի տարածման փոփոխությունը պարբերական և ոչ պարբերական բևեռացված GaAs միջավայրում: Ցույց է տրված, որ պարբերական բևեռացմամբ GaAs միջավայրի կիրառումը թույլ է տալիս ղեկավարել լայնաշերտ տարբերային հաճախության իմպուլսի հաճախային մոդուլյացիաի օրենքը: 4. GaSe բյուրեղում մի քանի տատանմամբ լազերային իմպուլսի միջոցով գեներացված ՏՀՃ–ի սպեկտրի ժամանակային դինամիկայի լուծողականության բարձրացման նպատակով կիրառվել է վեյֆլետ վերլուծություն: Կատարվել է միքանի տատանմամբ լազերային իմպուլսի և ոչ գծային բյուրեղների՝ GaAs, GaSe և LiNbO3, փոխազդեցության միջոցով սպեկտրի հարստացումը նկարագրող Մաքսվելի հավասարումների թվային ինտեգրումը ժամանակային տիրույթում վերջավոր տարբերությունների եղանակով: Առաջարկված է մի քանի տատանում տևողությամբ լազերային իմպուլսի կենտրոնական հաճախության և փաթույթի միջև եղած փուլի շեղման որոշման եղանակը: Այն հիմնված է ՏՀ բաղադրիչների գեներացման հիման վրա որոնք առաջանում են պարբերական բևեռացված դոմենային կառուցվածք ունեցող GaSe բյուրեղում փոխօրթոգոնալ գծային բևեռացմամբ լազերային իմպուլսների տարածման ժամանակ: Ստացված է ՏՀՃ սպեկտրի մաքսիմումին համապատասխանող ալիքի երկարության կախվածությունը գծային բևեռացմամբ մղման լազերային իմպուլսների փուլերի շեղումից: Ստացված է տարբերային հաճախային բաղադրիչների սպեկտրի նորմավորված բաշխվածությունների կախվածությունը մղման իմպուլսների փուլերի շեղումից: Դիտարկված է 30 ֆվ տևողությամբ լազերային իմպուլս 1.98 մկմ ալիքի երկարությամբ, իսկ տարբերային բաղադրիչների ալիքի երկարություններն ընկած են 8-12 մկմ տիրույթում: Ցույց է տրված, որ առաջարկված եղանակը կարելի է կիրառել երկու ֆեմտովայրկյանային լազերային իմպուլսների փուլային սինքրոնիզացիայի համար: Առաջարկված է ենթապիկովայրկյանային լազերային իմպուլսի կենտրոնական հաճախության փուլային շեղման որոշման եղանակ միջին ԻԿ տիրույթում: Մեթոդը հիմնված է գումարային հաճախային բաղադրիչների գեներացման վրա որոնք առաջանում են պարբերական բևեռացված դոմենային կառուցվածք ունեցող GaSe բյուրեղում տարբեր փուլերով երկու գծային բևեռացմամբ ԻԿ լազերային իմպուլսների տարածմամբ: Ցույց է տրված որ 9.6 մկմ կենտրոնական ալիքի երկարությամբ ենթապիկովարկյանային լազերային ԻԿ իմպուլսի 216 մկմ պարբերությամբ կանոնավոր դոմենային կառուցվածք ունեցող GaSe բյուրեղում տարածվելիս տեղի է ունենում մղման իմպուլսի երկրորդ, երրորդ և չորրորդ հարմոնիկների միաժամանակյա քվազիսինքրոն գեներացում 4.8 մկմ, 3.2 մկմ և 2.4 մկմ ալիքների երկարությունների վրա համապատասծանաբար: Ստացված արդյունքները կարող են կիրառվել ոչգծային օպտիկական փուլային կորելյատորի նախագծման նպատակով միջին ԻԿ ենթապիկովարկյանային լազերային իմպուլսի փուլի որոշման համար: The difference frequency radiation (DFR) features generated by spatially-limited femtosecond laser pulse with Gaussian spatial profile of intensity and the amplitude front in periodically-poled GaAs crystal are considered. An expression for the frequency-angular spectrum and the spectral density of DFR in the far field is obtained. It is shown that generating the DFR via optical rectification of spatially-limited femtosecond laser pulse in cross-section distribution of DFR near field a certain coordinate corresponds to the appropriate spectral component. It is shown that removing from the axis x the low-frequency filtration of DFR pulse time profile takes place. It's shown that for a pumping beam by radius 24 um, with wavelength 98 m, duration 100 fs and energy 30 nJ propagating in periodically-poled GaAs crystal with length 1.716 mm, with periodic of domain 74.6 um, efficiency of generation on frequency 21.428 THz is 210-6. A system of coupled differential equations in partial derivatives in the approximation of unidirectional waves which describe the evolution of electric fields of mutually-orthogonal linearly polarized laser pulses with duration of few optical oscillations in a nonlinear crystal with quadratic nonlinearity in the regime of weakly expressed chromatic dispersion were derived. The process of DFR generation by a femtosecond laser pulse propagating in GaAs crystal with both periodic and aperiodic domain structure is studied. It's obtained the numerical solution of this system by the method of lines, calculated the temporal profile and the spectrum of the DFR pulse produced via filtration of spectral supercontinuum formed at the output of nonlinear crystal and obtained the time dependences of instantaneous frequencies of the DFR pulse. It's shown that employing aperiodically polarized domain structures allows controlling the law of frequency modulation of the broadband DFR pulse. For study of time-frequency distribution of the broadband DFR pulse the Wigner transformation (WT) were applied. The results of numerical study of the generation process of DFR arising via interaction of linearly polarized a few cycle laser pulses propagating in a GaSe crystal is present. The interaction of pulse having the central wavelengths of 1.98 μm, duration of 30 fs with the electric field amplitude 100 MV/m, propagating along the optical axis is considered. The thickness of GaSe crystal in numerical simulations is 198 μm. For study the pulse dynamic spectrum evolution the smoothed pseudo Wigner distribution (SPWVD) transformation was applied. In order to increase the time and frequency resolution of the pulse dynamic spectrum the Mexican-hat wavelet based continuous wavelet transform (CWT) was applied. The dependence of DFR generation efficiency versus propagation distance inside of crystal at fixed values of initial pump pulse amplitude 10Mv/m, 50MV/m and 100MV/m is obtained. The DFR generation efficiency dependence versus initial pump pulse amplitude is obtained also. It’s shown that the maximum value of DFR generation efficiencie at initial pump pulse amplitude 100 MV/m is 4.8 10-3 % and 2.7 10-3 % respectively. The results of numerical study of the generation process of DFR arising via interaction of linearly polarized a few-cycle laser pulses propagating in a quasi-phase-matching (QPM) LiNbO3 crystal is present. Considered the interaction of pulses having the central wavelengths of 0.81 um, duration of 10 fs with the electric field amplitude 600 MV/m, propagating along the normal to the optical axis. The period of QPM LiNbO3 crystal in numerical simulations is 12.6 µm and chosen such that QPM generation of DFR takes place at 3 µm. It is shown that at this period take place the simultaneous QPM for SFR at 0.41um, 0.36um, 0.33um, and 0.31um and for DFR at 3 um wavelengths respectively. It's presented the results of theoretical studies of the generation process of DFR arising via interaction of mutually orthogonal linearly polarized a few-cycle laser pulses propagating in GaAs crystal. Numerical time-integration by the finite-difference method of nonlinear Maxwell equations systems has been performed. Considered the interaction of pulses having the central wavelengths of 1.98 um and 1.55 um, duration of 30 fs with the electric field amplitudes 295 106 V/m and 463106 V/m correspondingly, propagating along the normal to the <110> plane in the 854 um-thickness of the GaAs crystal. The process of DFR pulses formation arising via spectral filtration of supercontinuum formed in the spectra of pump pulses at the output of nonlinear crystal is studied. A method for determination of the few cycle duration laser pulse central frequency phase offset respect to envelope is proposed. The method is based on the DFR generation by mutually orthogonal linearly polarized laser pulses propagating in a crystal GaSe with regular periodical domain structure. The dependence of the wavelength of the DFR, corresponding to the maximum of the spectrum, vs. the phase difference between the mutually orthogonal linearly polarized pump pulses is obtained. The dependences of mutually orthogonal polarized laser pulses normalized spectral densities at the difference frequency vs. the phase difference between the pump pulses are obtained. It’s considered the case where the duration of the interacting pulses are 30 fs, the central wavelength is 1.98 um and the difference frequency radiation wavelength is in the (8-12) um range. It is shown that this method can be applied for the two femtosecond fiber lasers phase locking. The method of determination of the phase shift of the central frequency of subpicosecond laser pulse in the mid-IR wavelength range is offered. The proposed method is based on the generation of radiation at sum frequency by two equally linearly polarized subpicosecond laser pulses with a phase difference, propagating in GaSe crystals with a regular domain structure. It is shown that in the field of subpicosecond IR laser pulse at the 9.6 um central wavelength propagating in GaSe crystal with RDS with a period 216 um takes place simultaneous quasi-synchronous generation of the second, third and fourth harmonics of the pump pulse at 4.8 um, 3.2 um and 2.4 um wavelengths, respectively. The obtained results can be used for developing the nonlinear optical phase correlator for determination of the phase of subpicosecond mid-IR laser pulse.

      Item Type: Thesis (PhD)
      Additional Information: Մի քանի տատանմամբ ինֆրակարմիր ճառագայթման իմպուլսի գեներացիան և նրա փուլի շեղման որոշումը: Few cycle infrared radiation pulse generation and i'ts phase shiftde termination.
      Uncontrolled Keywords: Հովհաննիսյան Գևորգ Դավթի, Hovhannisyan G.
      Subjects: Physics
      Divisions: UNSPECIFIED
      Depositing User: NLA Circ. Dpt.
      Date Deposited: 11 Aug 2016 11:23
      Last Modified: 29 Aug 2016 15:53
      URI: http://etd.asj-oa.am/id/eprint/3067

      Actions (login required)

      View Item