В Институте физики созданы новые наноразмерные глобулярные фотонные кристаллы, заполненные активными к комбинационному рассеянию веществами, и продемонстрированы возможности формирования на их базе компактных нелинейно-­оптических преобразователей лазерного излучения и сенсоров для анализа малых количеств веществ.

ФОТОННЫЕ КРИСТАЛЛЫ В ПОМОЩЬ

25.01.2016 / №3-4 (стр.6)

В ТОП-10 результатов Академии наук за 2015 год в области фундаментальных и прикладных исследований вошла работа ученых из Института физики имени Б.И.Степанова НАН Беларуси. Они создали новые наноразмерные глобулярные фотонные кристаллы, заполненные активными к комбинационному рассеянию веществами. В результате продемонстрированы возможности формирования на их базе компактных нелинейно-оптических преобразователей лазерного излучения и сенсоров для анализа малых количеств веществ.

Подробнее о работе рассказывает один из ее авторов, заведующий лабораторией нелинейной оптики вышеуказанного института академик НАН Беларуси Валентин ОРЛОВИЧ.

Чтобы создать высокоэффективные и мощные лазерные системы, востребованные в многочисленных практических применениях, используется ограниченное число активных к лазерной генерации сред. Для излучения в тех спектральных диапазонах, где отсутствует прямая лазерная генерация либо ее получение сопряжено со значительными трудностями, используют различные устройства, основанные на эффектах нелинейной оптики. Такими эффектами являются генерация оптических гармоник, параметрическая генерация света и вынужденное комбинационное рассеяние.

Наиболее распространена генерация оптических гармоник.

Применяя ее, фундаментальное излучение лазера на гранате с неодимом (длина волны 1064 нм) можно преобразовать во вторую-пятую гармоники с длинами волн 532, 355, 266 и 213 нм. С использованием же параметрической генерации можно получать перестраиваемое излучение в отдельных интервалах видимого и ближнего инфракрасного диапазонов спектра при ее накачке излучением второй или третьей гармоник указанного выше лазера.

В перечисленном ряду нелинейно-оптических эффектов особое место занимает вынужденное комбинационное рассеяние.

Оно позволяет сдвигать длину волны лазерного излучения на величины, зависящие от используемого комбинационно-активного вещества. По словам Валентина Антоновича, при преобразовании можно уменьшать расходимость генерируемых пучков излучения за счет так называемого clean-up эффекта и улучшать спектральный контраст излучения, а также сокращать более чем в 10 раз длительность импульсов с одновременным увеличением по отношению к возбуждающему излучению их пиковой мощности.

Многие кристаллы, используемые в лазерах, являются одновременно активными к такому рассеиванию. Это позволяет получать генерацию лазерного излучения и одновременно преобразовывать его частоту в новый спектральный диапазон, используя только один кристалл.

К сожалению, вынужденное комбинационное рассеяние является пороговым эффектом нелинейной оптики. В стандартных условиях его высокоэффективное преобразование возможно лишь при использовании мощных импульсных лазерных систем. К настоящему времени существенное уменьшение порога возбуждения этого рассеяния достигается несколькими способами. Большой вклад в реализацию различных подходов внесли и ученые лаборатории нелинейной оптики Института физики НАН Беларуси.

В частности, предложены и исследованы подходы, обеспечившие возбуждение вынужденного комбинационного рассеяния в кристаллических средах маломощными квази-непрерывными и непрерывными лазерами. Предложен для использования новый материал – искусственные монокристаллы алмаза, обладающие целым комплексом выгодных, с точки зрения получения такого рассеяния, генерации физических свойств.

Разработанные белорусскими физиками подходы активно развиваются как у нас в стране, так и в странах дальнего зарубежья (США, Англия, Китай, Австралия и др.). Однако они не являются универсальными и имеют свои естественные технологические или физические ограничения.

«Поэтому мы продолжили совместные поиски с лабораторией комбинационного рассеяния Физического института им. П.Н.Лебедева Российской академии наук (ФИАН) (Москва, Россия), возглавляемой доктором физико-математических наук, профессором В.Гореликом», – рассказывает В.Орлович.

ФИАН ? один из наиболее авторитетных научно-исследовательских центров России. Его сотрудниками были такие известные ученые, как С.Мандельштам и Г.Ландсберг, открывшие в 20-х годах XX века эффект комбинационного рассеяния света (одновременно и независимо от индийского физика Рамана). Лаборатория профессора В.Горелика продолжает научное направление, заложенное первооткрывателями указанного эффекта.

В ходе сотрудничества ученые сосредоточили внимание на искусственных материалах, отсутствующих в природе, а именно, на материалах с пространственной модуляцией оптических характеристик на масштабе, соизмеримом с длиной волны возбуждающего излучения – так называемых фотонных кристаллах. Дело в том, что сотрудники ФИАН уже имели положительный опыт работы с этими материалами.

Характерным свойством таких трехмерных кристаллов является существование в их спектре так называемых запрещенных зон или «стоп-зон» – спектральных областей, для которых присутствие электромагнитных волн в объеме кристалла запрещено. В ряде работ ученых, в том числе академика НАН Беларуси Сергея Килина было показано, что вблизи края «стоп-зоны» фотонных кристаллов аномально возрастает плотность фотонных состояний и резко падает групповая скорость электромагнитной волны. Это приводит к возрастанию спектральной плотности энергии электромагнитного излучения. В результате можно ожидать резкого увеличения вероятности процессов спонтанного комбинационного рассеяния и, соответственно, снижения порога возбуждения вынужденного комбинационного рассеяния. Проверка данного предположения и была основной идеей совместного цикла работ.

Окончательная проверка предложенной идеи была осуществлена и продемонстрирована на фотонных кристаллах с внедренными в них бензолом или сероуглеродом, которые являются часто используемыми комбинационно-активными жидкостями.

Велика перспективность практического использования таких кристаллов, заполненных комбинационно-активными веществами. На их основе возможно создание компактных (диаметром менее 1 мм) преобразователей лазерного излучения.

Эти устройства могут использоваться для преобразования излучения маломощных импульсных и, возможно, непрерывных лазеров. Они найдут применение для преобразования излучения пико- и фемтосекундных лазеров. Открываются также перспективы использования фотонных кристаллов с внедренными жидкостями для качественного и количественного микроанализа комбинационно-активных веществ.По словам Валентина Антоновича, в указанных направлениях совместные с российскими физиками исследования будут продолжены.

Максим ГУЛЯКЕВИЧ,

«Навука»