Лазерные методы формирования и исследования наноструктур

1. Введение в физику лазеров и нелинейную оптику наноструктур

Лазерные методы
формирования и исследования
наноструктур

2. Оптические волокна и волоконные лазеры

3. План доклада

Оптические волокна:
– структура оптического волокна и распространение в нем
лазерного излучения;
– одномодовое и многомодовое волокно;
– многосердцевинные и микроструктурированные волокна.
Волоконные лазеры:
– элементы волоконных лазеров;
– непрерывные волоконные лазеры на основе волокон,
легированных редкоземельными элементами;
– ВКР-лазеры;
– импульсные волоконные лазеры.
Список литературы

4. Оптическое волокно

5. Оптическое волокно

6. Многосердцевинные волокна

7. Микроструктурированные волокна

Волокна с полыми
отверстиями
Брэгговские
волокна

8. Активные волокна

Энергетические уровни
редкоземельных ионов
Преобразование излучения в активном
волокне

9. Волоконные лазеры

Схема генерации излучения (на
примере Er3+)
Усиление в волоконном
лазере
Скорости накачки и излучения
Населенность метастабильного
уровня в стационарном случае
N1, N2 – населенность метастабильного
уровня и концентрация ионов эрбия;
Pp, Ps, Pf – мощности накачки, сигнала
и усиленной спонтанной
люминесценции;
τ21 – время жизни на метастабильном
уровне;
σp – сечение поглощения накачки;
σ21 – сечение эмиссии; α = σp/σ21;
hν, Δν – энергия фотона и ширина
полосы усиленной люминесценции;
Sc – площадь сердцевины волокна.

10. Отражатели в волоконных лазерах

Оптические ответвилители
(интерферометр Саньяка)
Брэгговские решетки в
волокне
Пассивные
компоненты

11. Волоконные лазеры

Схема лазера с резонатором ФабриПеро на объемных элементах
Схема лазера с отражателями на
основе ответвителей
Схема лазера с отражателями на
основе брэгговских решеток
Схема кольцевого волоконного лазера
Схема лазера с накачкой в сердцевину через ответвители

12. Волоконные лазеры

Схема уровней Yb3+
Схема иттербиевого лазера с торцевой накачкой
Переходы между штарковскими подуровнями
Торцевая накачка
Использование
объемных

13. ВКР – лазеры

Обобщенная схема ВКР-лазера.

14. Импульсные волоконные лазеры

(1) Непрерывный
режим
(2) Импульсный
режим
Схема генерации импульса
Период следования импульсов

15. Список литературы

Салех Б., Тейх М., Оптика и фотоника, Принципы и применения Том 1, 2012.
Ortiz A.M., Sáez R.L. Multi-Core Optical Fibers: Theory, Applications and Opportunities // DOI:
10.5772/intechopen.72458
Liu Z., Tam H-Y. Fabrication and Sensing Applications of Special Microstructured Optical Fibers //
DOI: 10.5772/intechopen.70755
Jovanovic N, Guyon O, Kawahara H, Kotani T. Application of Multicore Optical Fibers in Astronomy.
In: Optical Fiber Communication Conference (OFC). Los Angeles, USA: Optical Society of America;
2017. W3H.3
Batagelj B., Janyani V., Tomažič S. Research challenges in optical communications towards 2020 and
beyond // Journal of Microelectronics, Electronic Components and Materials. V. 44. №3. 2014.
Y. Ding et al.,” High-dimensional quantum key distribution based on multicore fiber using silicon
photonic integrated circuits”, npj Quantum Information 3 25 (2017)
A.N. Kolyadin et al. / Physics Procedia 73 ( 2015 ) 59 – 66.
Palodiya V., Kumar S., Kumar A., Raghuwansh S. K. Dispersion Properties of Solid Core Bragg
Fiberhaving an Arbitary Refractive Index Core Profile for DWDM Applications // International
Conference on Microwave and Photonics (ICMAP) 2013.
Troles J., Brilland L. Chalcogenide microstructured optical fibers for infrared applications // DOI:
10.1533/9780857093561.2.411.
Курков А.С. Волоконные лазеры: принципы построения и основные свойства. Издательский
центр УлГУ Ульяновск УлГУ, Ульяновск 2012.

16. Лекция 7. Взаимодействие лазерного излучения с веществом.

17. Лазерно-индуцированные фазовые переходы. Абляция

• Взаимодействие лазерного излучения с твердым
телом: временная шкала
• Лазерно-индуцированные фазовые переходы
(наносекунды). Фаза повышенного отражения.
• Лазерно-индуцированные фазовые переходы
(фемтосекунды).
• Формирование поверхностных периоди ческих
структур.
• Особенности фемтосекундной лазерной абляции и
обработки материала
• Формирование наночастиц в процессе разлета
плазмы

18. Временнáя шкала

Нетерми Термические
ческие
Время (с)
-8
10
-9
10
-10
10
-11
10
-12
10
-13
10
-14
10
Абляция
Плавление
Термическая
диффузия
Электрон-фононное
взаимодействие
Электрон-электронное
взаимодействие
1) оптическое
возбуждение мишени;
2) дестабилизация
кристаллической
решетки;
3) вынос вещества и
образование облака
продуктов абляции;
4) формирование
наночастиц.

19.

20. Двухтемпературная модель

Te
Te
Сe
ke
g Te Tl S z , t
t
z z
Сl
Tl
T
kl l g Te Tl
t
z z
S z , t I t A exp z

21. Фазовые переходы

• Термические
Верхний предел скорости межфазной границы «жидкостьтвердое тело» должен быть по порядку величины равен
скорости звука в данном материале. Например, плавление
слоя Si толщиной 20 нм с помощью пикосекундного лазера
занимает от 50 - 100 пc
• Нетермические
При возбуждении большого количества электронов
происходит дестабилизация связей. «Сверхбыстрое»
плавление (~ 100 фс), происходящее из-за сильной
модификации межатомных сил благодаря лазерноиндуцированному возбуждению большого количества
электронов из валентной зоны (не менее 10 %) в зону
проводимости. Структурные изменения происходят до того,
как электронная и решеточная подсистемы придут в
состояние термодинамического равновесия.

22.

Диагностика фазовых переходов
Фаза повышенного отражения (AIIIBV и AIV,
расплавы которых являются металлами)
Плотность энергии
Ge, 694 nm,
30 ns
Лазерный импульс
AIIBVI, расплав не является металлом

23.

Диагностика фазовых переходов
GaAs
В твердом состоянии :
В расплаве: D
( 2)
D( 2) 0
0
С.А. Ахманов, В.И. Емельянов, Н.И. Коротеев, В.Н. Семиногов УФН,
1985, т. 147, вып. 4, С. 675-745

24.

Диагностика фазовых переходов
(CdTe)

25.

Диагностика фазовых переходов (c-Si)
(111) Si
90 фс, 620 нм