Про диплом
Jan. 7th, 2010 09:50 pm![[personal profile]](https://www.dreamwidth.org/img/silk/identity/user.png){kind=small}
ostingЯ обещала нескольким людям рассказать в доступной форме, о чем мой диплом. Здесь, под катом - краткий пересказ, адаптированный, с картинками. :) Хотела написать это прежде, в рамках тестирования презентации, но не успела. Изложение не очень строгое, и даже, я бы сказала, местами очень нестрогое. ;)
1. Бифотоны.
Некоторые вещества могут преобразовывать один фотон падающего света (так называемой накачки) в пару фотонов рассеянного излучения (они называются сигнальный и холостой). У этой пары фотонов (или бифотона) будут определенные характеристики - так, их суммарная энергия должна быть равна энергии фотона накачки, но как она распределится внутри пары, неизвестно. То же с импульсом - он известен для пары, но не для каждого отдельного фотона. И вообще, волновая функция, которая в квантах описывает состояние системы, у них одна на двоих. (Бывает, что систему нельзя описать волновой функцией, но такие случаи мы не рассматриваем для простоты.)
Что в этом интересно: если мы измерим состояние одного фотона из пары, мы автоматически что-то узнаем про другой фотон, и при этом нам не надо его измерять. Вообще квантовые объекты невозможно измерить, не испортив, - а тут второй фотон остается целым и во вполне известном состоянии. Бифотоны применяются, например, для передачи информации, а кроме того, это удобный объект для исследования разных специфических квантовых особенностей, не проявляющихся в классической физике.
2. Синхронизм.
Синхронизм - это когда для трех фотонов (накачки, сигнального и холостого) выполняется закон сохранения импульса. (Обычно говорят не об импульсах, а о волновых векторах, можно считать, что это одно и то же.)
Тут нарисованы два случая: в первом синхронизм замыкается, во втором - нет. Фотоны с индексом "p" - это "pump", накачка; "s" - это "signal", "i" - "idler". Пунктирная стрелка, которой не хватает для замыкания синхронизма во втором случае, называется расстройкой.
Если синхронизм не замыкается, у нас есть два способа это исправить, воздействуя на среду. Первый - поменять показатель преломления среды (он зависит от температуры, от электрического поля, тут способов много). На рисунке это будет соответствовать удлинению стрелок. При этом они должны удлиняться неодинаково - сигнальная и холостая больше, накачка меньше, чтобы не получилась та же картинка, только увеличенная.
Второй способ - это создать в среде какую-нибудь периодическую структуру (обычно это чередующиеся участки с разной поляризацией), так, чтобы период этой структуры соответствовал расстройке. Этим мы добавляем недостающий, четвертый вектор, замыкающий синхронизм (в предыдущем способе векторов оставалось три). На рисунке ниже - периодически поляризованный кристалл.
3. Изменение спектра.
В среде может выполняться условие синхронизма для одной конкретной пары частот сигнального и холостого фотонов. Если условия в среде меняются по ходу распространения света, то в разных точках среды синхронизм будет замыкаться для разных пар частот, и на выходе из кристалла получим спектр, в котором присутствуют все эти частоты. Остается еще вопрос, как они будут складываться между собой - будут ли отдельные части спектра взаимодействовать, усиливаться и ослабляться, или мы получим сумму невзаимодействующих компонент. В первом случае спектр будет иметь сильно изрезанную форму, во втором - довольно гладкую. (Пока спектры, которые у нас получаются, выглядят гладкими; но, возможно, мы просто снимаем их с недостаточным разрешением, чтобы увидеть более мелкие детали.)
4. Электрооптический эффект.
Будем менять показатель преломления кристалла, прикладывая к кристаллу электрическое поле. На противоположные грани кристалла наносятся электроды из тонкой медной фольги; к ним мы подводили что-то около 10 киловольт. Померить это поле оказалось отдельной задачей - пока удается его только грубо оценить, так что проблема вольтметра по-прежнему актуальна.
Под действием поля в кристалле много чего может случиться. То есть в общем случае меняется показатель преломления, а значит, скорость распространения света внутри кристалла. Но еще надо учитывать направление распространения, поляризацию света, частоты распространяющихся волн. Картина будет разной для кристаллов, относящихся к разным группам симметрии: в некоторых никакого эффекта может вовсе не быть.
5. Эксперимент.
Мы прикладывали однородное поле к кристаллу KDP (дигидрофосфата калия). Это один из наиболее известных и хорошо исследованных кристаллов в нелинейной оптике; у него довольно слабые электрооптические свойства, но при этом одно существенное достоинство - этот кристалл у нас есть. ;) (Пробовали еще с ниобатом лития, электрооптический эффект в нем сильнее, но там был ряд ограничений по частотам, в результате при наших условиях - сильно различавшихся частотах сигнальной и холостой волн - эффект был совершенно незаметен.)
Вот так, по расчетам, должен был меняться спектр в присутствии 10 кВ:
И вот что получилось в эксперименте:
Как видим, одиночный пик распадается на два: в отсутствие поля условия подобраны так, что сигнальная и холостая волна генерируются на одной и той же частоте, при добавлении поля они начинают различаться, хотя сумма частот сохраняется. Если в разных частях кристалла будет разное поле (чего у нас пока не получилось), то все спектры, изображенные на последнем рисунке, будут генерироваться одновременно, и мы получим не картинку "два пика по бокам и провал в середине", а более-менее равномерно заполненный участок спектра.
6. Результаты.
Во-первых, мы обнаружили случаи, когда никакого изменения спектра под действием поля не наблюдается, и даже поняли, почему. :)
Во-вторых, нашли условия, при которых все ведет себя примерно так, как предполагалось. Необходимо отметить, что, хотя электрооптический эффект широко известен и имеет ряд применений в оптике, такой метод изменения формы спектра мы использовали впервые.
В-третьих, если сравнивать элекрооптический метод с близкими - нагревом кристалла и созданием в нем периодической поляризации - у него есть ряд достоинств: он, во-первых, гибкий (как и температурный, он позволяет создавать разные распределения параметров в одном кристалле, а периодическая поляризация создается при выращивании кристалла раз и навсегда), во-вторых, быстродействующий (поле устанавливается за несколько секунд, температура - по крайней мере минуты). Что касается недостатков - уширение получилось гораздо меньше, чем можно создать в том же KDP температурным методом (однако можно взять более подходящий кристалл). И отдельной задачей оказалось контролировать и измерять поле.
1. Бифотоны.
Некоторые вещества могут преобразовывать один фотон падающего света (так называемой накачки) в пару фотонов рассеянного излучения (они называются сигнальный и холостой). У этой пары фотонов (или бифотона) будут определенные характеристики - так, их суммарная энергия должна быть равна энергии фотона накачки, но как она распределится внутри пары, неизвестно. То же с импульсом - он известен для пары, но не для каждого отдельного фотона. И вообще, волновая функция, которая в квантах описывает состояние системы, у них одна на двоих. (Бывает, что систему нельзя описать волновой функцией, но такие случаи мы не рассматриваем для простоты.)
Что в этом интересно: если мы измерим состояние одного фотона из пары, мы автоматически что-то узнаем про другой фотон, и при этом нам не надо его измерять. Вообще квантовые объекты невозможно измерить, не испортив, - а тут второй фотон остается целым и во вполне известном состоянии. Бифотоны применяются, например, для передачи информации, а кроме того, это удобный объект для исследования разных специфических квантовых особенностей, не проявляющихся в классической физике.
2. Синхронизм.
Синхронизм - это когда для трех фотонов (накачки, сигнального и холостого) выполняется закон сохранения импульса. (Обычно говорят не об импульсах, а о волновых векторах, можно считать, что это одно и то же.)
Тут нарисованы два случая: в первом синхронизм замыкается, во втором - нет. Фотоны с индексом "p" - это "pump", накачка; "s" - это "signal", "i" - "idler". Пунктирная стрелка, которой не хватает для замыкания синхронизма во втором случае, называется расстройкой.
Если синхронизм не замыкается, у нас есть два способа это исправить, воздействуя на среду. Первый - поменять показатель преломления среды (он зависит от температуры, от электрического поля, тут способов много). На рисунке это будет соответствовать удлинению стрелок. При этом они должны удлиняться неодинаково - сигнальная и холостая больше, накачка меньше, чтобы не получилась та же картинка, только увеличенная.
Второй способ - это создать в среде какую-нибудь периодическую структуру (обычно это чередующиеся участки с разной поляризацией), так, чтобы период этой структуры соответствовал расстройке. Этим мы добавляем недостающий, четвертый вектор, замыкающий синхронизм (в предыдущем способе векторов оставалось три). На рисунке ниже - периодически поляризованный кристалл.
3. Изменение спектра.
В среде может выполняться условие синхронизма для одной конкретной пары частот сигнального и холостого фотонов. Если условия в среде меняются по ходу распространения света, то в разных точках среды синхронизм будет замыкаться для разных пар частот, и на выходе из кристалла получим спектр, в котором присутствуют все эти частоты. Остается еще вопрос, как они будут складываться между собой - будут ли отдельные части спектра взаимодействовать, усиливаться и ослабляться, или мы получим сумму невзаимодействующих компонент. В первом случае спектр будет иметь сильно изрезанную форму, во втором - довольно гладкую. (Пока спектры, которые у нас получаются, выглядят гладкими; но, возможно, мы просто снимаем их с недостаточным разрешением, чтобы увидеть более мелкие детали.)
4. Электрооптический эффект.
Будем менять показатель преломления кристалла, прикладывая к кристаллу электрическое поле. На противоположные грани кристалла наносятся электроды из тонкой медной фольги; к ним мы подводили что-то около 10 киловольт. Померить это поле оказалось отдельной задачей - пока удается его только грубо оценить, так что проблема вольтметра по-прежнему актуальна.
Под действием поля в кристалле много чего может случиться. То есть в общем случае меняется показатель преломления, а значит, скорость распространения света внутри кристалла. Но еще надо учитывать направление распространения, поляризацию света, частоты распространяющихся волн. Картина будет разной для кристаллов, относящихся к разным группам симметрии: в некоторых никакого эффекта может вовсе не быть.
5. Эксперимент.
Мы прикладывали однородное поле к кристаллу KDP (дигидрофосфата калия). Это один из наиболее известных и хорошо исследованных кристаллов в нелинейной оптике; у него довольно слабые электрооптические свойства, но при этом одно существенное достоинство - этот кристалл у нас есть. ;) (Пробовали еще с ниобатом лития, электрооптический эффект в нем сильнее, но там был ряд ограничений по частотам, в результате при наших условиях - сильно различавшихся частотах сигнальной и холостой волн - эффект был совершенно незаметен.)
Вот так, по расчетам, должен был меняться спектр в присутствии 10 кВ:
И вот что получилось в эксперименте:
Как видим, одиночный пик распадается на два: в отсутствие поля условия подобраны так, что сигнальная и холостая волна генерируются на одной и той же частоте, при добавлении поля они начинают различаться, хотя сумма частот сохраняется. Если в разных частях кристалла будет разное поле (чего у нас пока не получилось), то все спектры, изображенные на последнем рисунке, будут генерироваться одновременно, и мы получим не картинку "два пика по бокам и провал в середине", а более-менее равномерно заполненный участок спектра.
6. Результаты.
Во-первых, мы обнаружили случаи, когда никакого изменения спектра под действием поля не наблюдается, и даже поняли, почему. :)
Во-вторых, нашли условия, при которых все ведет себя примерно так, как предполагалось. Необходимо отметить, что, хотя электрооптический эффект широко известен и имеет ряд применений в оптике, такой метод изменения формы спектра мы использовали впервые.
В-третьих, если сравнивать элекрооптический метод с близкими - нагревом кристалла и созданием в нем периодической поляризации - у него есть ряд достоинств: он, во-первых, гибкий (как и температурный, он позволяет создавать разные распределения параметров в одном кристалле, а периодическая поляризация создается при выращивании кристалла раз и навсегда), во-вторых, быстродействующий (поле устанавливается за несколько секунд, температура - по крайней мере минуты). Что касается недостатков - уширение получилось гораздо меньше, чем можно создать в том же KDP температурным методом (однако можно взять более подходящий кристалл). И отдельной задачей оказалось контролировать и измерять поле.
![[identity profile]](https://www.dreamwidth.org/img/silk/identity/openid.png){kind=small}
no subject
Date: 2010-01-09 08:46 pm (UTC)