физлаз4. Моделирование быстродействующего переключателя оптического излучения

• Название: Моделирование быстродействующего переключателя оптического излучения
• Анкор: физлаз4
• Дата: 23.11.2021
• Размер: 258.25 Kb.
• Имя файла: FizLaz_4.docx
• Тип: Отчет; #279316

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра фотоники

отчет

по лабораторной работе №4

по дисциплине «Физика лазеров»

Тема: Моделирование быстродействующего переключателя оптического излучения

Студент гр. 9204		Лаппо И.А.
Преподаватель		Гоголева Н.Г.

Санкт-Петербург

2021

Цель работы: моделирование просветления фуллерен содержащей среды при одновременном воздействии лазерных импульсов нано и фемтосекундной длительности

Основные теоретические положения:

Известно, что фуллерены и фуллерен содержащие среды (ФС) обладают сильными нелинейно-оптическими свойствами. Широкое применение ФС нашли в проблеме нелинейного ограничения лазерного излучения. В ФС ограничение лазерного излучения наблюдается в широком интервале длительностей импульса: от десятков наносекунд до сотен фемтосекунд (см. материалы к лабораторной работе «Исследование эффекта обратного насыщаемого поглощения». В данной работе исследуется другой нелинейно-оптический эффект: просветление среды под действием лазерных импульсов. При последовательном воздействии на фуллерен содержащую среду лазерных импульсов нано- и фемтосекундной длительности наблюдается эффект просветления среды. Данный эффект может служить основой для создания сверхбыстродействующих нелинейно-оптических переключателей лазерного излучения.

Для реализации эффекта просветления необходимо последовательно пропустить через ФС среду 2 импульса – «длинный» наносекундный импульс (длительность t_n> t₁= 1.5 нс) и «короткий» фемтосекундный (длительность t_f< t₂= 1 пс ) (схема уровней молекулы фуллерена С₆₀ показана на рис. 1).

1. 
   Схема основных энергетических уровней молекулы фуллерена. Значения сечений поглощения обозначены _g^S , _ex^S , _ex^T, где g обозначает основное состояние , ex означает возбужденное состояние и S,T означают соответственно синглетное и триплетное состояние. Времена жизни обозначены t₀, t₂, t₃, t₅, t₆ а время интерконверсии t₁ , n_i– относительные заселенности уровней (n_i= N_i/ N_F, где N_i-абсолютная заселенность i-ого уровня, N_F – концентрация молекул фуллерена в растворе ). Сплошные стрелки обозначают излучательные переходы, пунктирные линии – безызлучательные.
   

Плотность энергии Е₁длинного импульса и его длительность t_n должны подбираться таким образом, чтобы к концу его действия практически все молекулы фуллерена перешли в триплетное состояние Т₁ В видимой области сечение поглощения с триплетного уровня _ex^T много больше сечения поглощения с основного состояния _g^S Поэтому после окончания действия наносекундного импульса среда «закрыта» для слабого сигнала Е₃ .Это состояние сохраняется достаточно долгое время, равное времени жизни триплета С₆₀ (примерно 40 мкс). Если в течение этого времени подать «короткий» фемтосекундный импульс с достаточной плотностью энергии Е₂ (интенсивность должны быть сравнимой с интенсивностью насыщения перехода 5-6), то часть молекул переходит в высоковозбужденное состояние T_n. Поэтому во время прохождения «короткого» импульса среда становится открытой для слабого сигнала Е₃. Время жизни T_nочень мало (порядка 1 фс). Поэтому практически сразу после прохождения «короткого импульса» среда становится вновь закрытой для Е₃. Таким образом, это устройство является оптическим затвором фемтосекундной длительности пропускания.

Схематично процесс изображен на рис. 2. После накачки длинным импульсом практически все молекулы фуллерена переходят в триплетное состояние. На длине волны 532 нм сечение поглощения триплетного состояния много больше. Чем сечение поглощения с основного состояния. И пропускание слабого сигнала мало. (рис. 2 а). Пока среда находится в этом состоянии, облучаем ее серией фемтосекундных импульсов (рис.2б). В момент прохождения через среду короткого импульса, среда просветляется (рис.2б).

1. 
   Аналитическое рассмотрение.
   

Предварительные оценки можно провести в рамках следующей простой модели. К концу «длинного» импульса молекула фуллерена может рассматриваться как квазидвухуровневая система T₁T_n. .. Действие длинного импульса приводит к тому, что практически все молекулы фуллерена переходят в «триплетное» состояние, т.е. n₅(t=0)=1, где за начальный момент t=0 выбран момент включения фемтосекундного импульса. Кинетику заселения триплетных уровней T₁, T_n (уровни 5,6 на рис. 1) под действием фемтосекундного импульса можно описать системой уравнений:

(1)

Здесь n₅,n₆ –относительные населенности уровней 5,6, A₅ = _ex^TI/h, _ex^T – сечение поглощения перехода T₁T_n, I– интенсивность лазерного излучения, h - энергия перехода,t₆ – время релаксации уровня 6. Начальные условия:

Распространение излучения вдоль оси Z можно описать уравнением:

(2)

где N_F – концентрация фуллерена.

Рассмотрим тонкий слой среды, т.е. слой, в котором первым членом в левой части уравнения (2) можно пренебречь. Считаем, что длительность фемтосекундного импульса много меньше длительности самого импульса, т.е. импульс практически прямоугольный. Из (1) и (2) получим:

(3)

Здесь x=I_out/I₀, где I_out – выходная интенсивность,I₀ – входная интенсивность, = t/t₆, b=I₀/I_s, I_s = h/(_ex^Tt₆ )– интенсивность насыщения перехода T₁T_n, L –длина среды. Равенство (3) является уравнением относительно x и определяет пропускание излучения. В рассматриваемом приближении выполняется известный закон подобия по произведению молярной концентрации фуллерена Cна длину среды L (см. описание к лабораторной работе «Исследование эффекта обратного насыщаемого поглощения»).

2. 
   Исходные данные для расчета
   

Численно исследуются эффект просветления лазерного излучения твердым раствором фуллерена С₆₀ . В данной работе длительность «длинного» импульса выбирается t_n 10 нс, длительность «короткого импульса» t_f  300 фс. Длина волны лазерного излучения ₁= ₂ = 532 нм (вторая гармоника излучения неодимового лазера). Длина среды L = 50 мкм, концентрация С = 30 мМ. На длине волны 532 нм сечения поглощения с основного и возбужденных состояний фуллерена составляют: _g^S=0.34×10^-17 см², _ex^T=1.77×10^-17 см², _ex^S=1.89×10^-17 см². Плотность энергии короткого импульса Е₂=1 Дж/см²

Обработка результатов.

Исходные данные и рассчитанные параметры представлены на рисунке 2.

2. 
   Исходные данные и рассчитанные параметры
   

Задание массива времён и расчёт пропускания для переднего фронта – рисунок 3

3. 
   Массив времён и пропускание для переднего фронта
   

Расчёт заднего фронта – рисунок 4.

4. 
   Расчёт заднего фронта
   

Построим графики переднего и заднего фронтов – рисунки 5 и 6.

5. 
   Передний фронт пропускания
   

6. 
   Задний фронт пропускания
   

Выводы: в данной работе был исследован эффект просветления среды под действием двух лазерных импульсов – «длинного» и «короткого». При воздействии наносекундного импульса (при правильно подобранных параметрах) к концу его действия практически все молекулы фуллерена перешли в триплетное состояние T₁.Затем, если подать фемтосекундный импульс с достаточной плотностью энергии, то часть молекул переходит в высоковозбужденное состояние T_n. Поэтому во время прохождения «короткого» импульса среда становится открытой для прохождения слабого сигнала. Однако время жизни T_n порядка 1 фс, поэтому практически сразу после прохождения «короткого» импульса среда становится вновь закрытой для слабого сигнала. На рисунках 5 и 6 показаны зависимости пропускания слабого сигнала для переднего фронта «короткого» импульса и заднего соответственно.