[ «ФИЗИКА ЛАЗЕРНЫХ ПРОЦЕССОВ И ПРИМЕНЕНИЯ Сборник научных трудов Международного научного семинара (Россия – КНР) 15–17 октября 2012 Рязань, 2012 PHYSICS OF LASER PROCESSES AND APPLICATIONS (PHLPA – 2012) Proceeding of ...»
Министерство образования и наук
и Российской Федерации
Ministry of Education and Science of Russian Federation
Правительство Рязанской области
Government of Ryazan Region
Российский фонд фундаментальных исследований
Russian Foundation for Fundamental Research
Государственный фонд естественных наук КНР
National Natural Science Foundation of China
Лазерная ассоциация Laser Association Рязанский государственный университет имени С.А. Есенина Ryazan State University named for S. Esenin Чаньчунский университет Changchun University Чаньчунский университет науки и техники Changchun University of Science and Engineering
ФИЗИКА ЛАЗЕРНЫХ ПРОЦЕССОВ
И ПРИМЕНЕНИЯ
Сборник научных трудов Международного научного семинара (Россия – КНР) 15–17 октября Рязань,PHYSICS OF LASER PROCESSES
AND APPLICATIONS (PHLPA – 2012) Proceeding of scientific seminar International scientific seminar (Russia – China) 15–17 October Ryazan, УДК ББК 32.86- Ф Рецензенты А.А. Трубицын, д-р физ.-мат. наук, проф. (РГРТУ) В.А. Коротченко, д-р техн. наук, проф. (РГРТУ) Reviewed by:A.A. Trubitsyin, Dr., Professor (RSREU) V.A. Korotchenko, Dr., Professor (RSREU) Физика лазерных процессов и применения = Physics of laser processes and application :
Ф50 сб. науч. тр. междунар. семинара / отв. ред. Е.Н. Моос, В.А. Степанов ; Ряз. гос. ун-т им.
С.А. Есенина. – Рязань, 2012. – 212 с. – на рус. и англ. яз.
Physics of laser processes and applications : Proceeding of scientif seminar / chief editor E.N. Moos, V.A. Stepanov; Ryaz. State Univ. named for S. Esenin. – Ryazan, 2012. – 212 p.
ISBN 978-5-88006-760- Затрагиваются вопросы современного состояния и перспективы развития инновационных технологий, обсуждаются проблемы и представления новых результатов в области нелинейных физических процессов, которые имеют место при возникновении и распространении лазерного излучения. В сборнике представлена программа пленарного заседания конференции, а также опубликованы краткое содержание докладов (в авторской редакции).
Сборник адресован преподавателям, аспирантам, студентам и широкому кругу читателей.
лазер, лазерное излучение, кристаллы, наногетероструктуры, плазма, биологические объекты The modern state and prospects of the innovative technology development as well as the problems and new results in the non-linear physical processes which occur for laser generation and propagation are discussed.The proceeding include the conference programme and the brief content of the reports (in authors edition).
The proceeding is addressed to teachers, post-graduate students, students and the wide range of readers.
laser, laser radiation, crystals, nanoheterostructures, plasma, biological objects УДК ББК 52.86- Редакционная коллегия:
В.А. Степанов, д-р физ.-мат. наук, проф. (отв. ред.); Е.Н. Моос, д-р техн. наук, проф. (отв. ред.);
Н.В. Коненков, д-р физ.-мат. наук, проф.; В.В. Трегулов, канд. техн. наук, доц.
Editorial Board:
V.A. Stepanov, Dr. (chief editor); E.N. Moos, Dr. (chief editor); N.V. Konenkov, Dr., Professor;
V.V. Tregulov, PhD., Associate Professor © Коллектив авторов, © Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Рязанский государственный университет имени C.А. Есенина», © Composite authors of proceeding, © Federal state budgetary institution higher professional education ISBN 978-5-880006-760-2 978-5-88006-71 «Ryazan State University named for S. Esenin»,
CONTENT
SECTION I. LASER PHYSICS AND LASER TECHNOLOGY
Problem of the laser beam quality: past and present. Ochkin V.N., Nikolaev I.V., Korolenko P.V., Peters G.S., Polosko A.T.Coherent population transfer in a system of interacting cold atoms. Dong Yan, Lijiu Song, Jinhui Wu
Output properties of fiber-coupled semiconductor lasers. Guajun Lin, Baoxue Bao, Xiadui Ma
Extending the coloring of metal from a planar tonon-planar surface by femto-second laser. Halyan Tao, Xin Tan, Lingtian Diao, Bin Chen, Jingquan Lin Xiaowei Song
Study of the light beam propagation simulation and experiments through water.
Zhaoshuo Tian, Xiuyun Ren, Tianchi Xu, Shiyou Fu, Qi Wang
Advances at SLM/SLS and SLC technologies. Chivel Yu.
Optical monitoring of advanced powder metallurgy technological processes.
Chivel Yu.
Scientific and educational center «Laser systems, nanotechnologies and methods of diagnosis» – way to integration of science, education and industry. Stepanov V.A., Konenkov N.V., Demkin V.N., Chernyak E.Ya., Trunin E.B., Khilov S.I.................. Acousto-optical interactions in gyrotropic crystals. Shakin O.V.
Subwave light beams. Aleshkevich V.A., Uvarov N.G.
Unceasing generation of two wave line 1064,15 and 1061,5 nm in Nd: YAG-laser.
Golovkov O.L., Kuptsova G.A., Stepanov V.A.
Method of formation of information field of teleorientation laser system.
Golovkov O.L., Kolesnikov S.A.
Integrated model of laser impulse transmission through diffusing medium.
Golovkov O.L., Kuptsova G.A., Stepanov V.A.
System of laser teleorientation of object. Golovkov O.L., Kuptsova G.A., Stepanov V.A.
Nd3±YAG-laser characteristics control when welding different metal materials.
Abrosimov O.A.,Gorechy A.V., Grafonkin K.S.,Zarubin M.M., Yastrebkov A.B....... Application of laser complex for marking material surface. Kaptyushkin O.E., Khilov S.I., Khilov V.S.
SECTION II. LASER METHODS OF MEASUREMENT AND DIAGNOSTICS
Laser refractography principles and aplications for research of physical processes in the liquid. Rinkevichus B.S., Raskovskaya I.L., Tolkachev A.V.Refraction cylindrical laser beam in a liquid diffusion layer. Rinkevichus B.S., Suvorovtsev P.Y.
The effect of ion irradiation on raman spectra and field emission of highly oriented pyrolytic graphite. Adrianova N.N., Borisov A.M., Borisov B.B., Virgilyev Y.S., Mashkova E.S., Sevostyanova V.S.,Timofeev M.A., Timofeev O.S.
The application of laser goniophotometry for the study of carbon fiber composite surface ion-induced modification. Andrianova N.N., Borisov A.M., Mashkova E.S., Virgiliev Yu.S., Sevostyanova V.S.
Research of collisional displacement of diverse highly excited states of helium by means of the method of short-lived atoms level laser injection in cluster and plasma zone. Chirtsov A.S., Marek V.P.
Laser meter of geometrical characteristics of the fast moving objects.
Demkin V.N., Shadrin M.V.
Algorithm of highly accurate laser scanning in the systems of fast 3D building.
Demkin V.N., Shadrin M.V.
Quantum chaos and quantum Fisher information. Lijun Song, Donh Yan............... The identification method of optimal active ions concentration in laser crystals of nontraditional type. Abrosimov O.A., Grafonkin K.S., Yastrebkov A.B............... Laser influence on metal dislocation structure. Smyislova E.P.
Structural and phase transformations and properties of aluminum oxide ceramics in an area of coverage of a laser beam. Krasnikov A.S.
Design and manifacturing of multylayer coating for laser fluoresence spectroscopy Iusypova O.V., E Brik.B., Kucheryavyy S.I.
SECTION III. INTERACTION BETWEEN LASER RADIATION AND
BIOLOGICAL OBJECTS
Guided photothermolysis of cancer cells, blood cells and skin cells on the basis of gold plasma-resonant nonoparticles of titanium dioxide and photosensitizers technologies. Akchurin G.G., Akchurin (Jr)G.G., Bashkatov A.N., Bratashov D.N., Genina E.A., Gorin D.A., Dolotov L.E., Maksimova I.L., Portnov S.A., Terentyuk G.S., Khlebsov B.N.,Khlebtsov N.G., Tuchin V.V.Use of laser beam for instant diagnosis of functional state of plants.
Budagovskaya O.N., Solovyh N.V., Budagovsky A.V., Budagovsky I.A................... Plant bodies respond to «before-thermal» intension laser beam. Budagovsky A.V...... The possibility of using frequency-stabilized helium-neon laser LGN- for biofeedback and laser therapy Vlasov A.N.
Method of spectral analyses and determinations of concentration components in turbid substance. Golovkov O.L., Kuptsova G.A.
SECTION IV. NONLINEAR PROCESSES IN GAS-DISCHARGE LASER
PLASMA
Achievements in strontium vapor lasers. Soldatov A.N.Pulse-periodical UV- and VUV-gas-discharge-lasers with high average radiation power on the chemical stability molecules. Kozlov B.A.
Gas discharge and generation characteristics of small-sized sealed-off CO2-lasers at super atmospheres pressures. Kozlov B.A., Payurov A.Ya.
Continuous action lasers on metal fumes and its application. Kasyan V.G., Barinova A.A., Kulikov M.I., Pyanov O.G.
Polarizing instability in frequency-stabilized helium-neon lasers radiation.
Chulyaeva E.G., Chirkin M.V., Kernosov M.Y., Kiselev Y.V.
Methods of frequency-stabilized laser characteristics measurement. Vorobyov V.P., Kernosov M.Y., Kondrahyn A.A., Melnichuk G.V., Chulyaeva E.G.
Misalignment of mirror effects on output properties of wave guiding gas-discharge laser. Molkov S.I.
Development of relief on the cathode surface of He-Ne laser. Kiselev G.V., Moos E.N., Stepanov V.A
Structure Si (111) – Ge laser heterosystem criticality. Kiselev G.V., Inyakov V.V., Moos E.N., Rudenko A.I.
Active environment of the gas lasers. Privalov V.E., Fotiadi A.E.
The method of mirror noise images. Chernov E.I., Sobolev N.E.
SECTION V. PHYSICAL PROCESSES IN NANOHETEROSTRUCTURES
AND THE METHODS OF THEIR DIAGNOSTICS
Linear and nonlinear optical properties of fluorenone-based linear conjugated oligomers. Tianhang Huang, Yinghui Wang, Hanzhuang ZhangStabilization of the photolumenescence of porous silicon. Tregulov V.V................ Contactless microwave method for determination of charge carrier concentration and quantum hall resistance in semiconductor nanostructures. Kornilovich A.A., Litvinov V.G.
Investigation of the chemical composition of cds surface films by auger electron spectroscopy with nanoscale resolution. Skoptsova G.N.
LIST OF ORGANIZATIONS PARTICIPATING IN THE CONFERENCE............. THE LIST OF A AUTHORS
СОДЕРЖАНИЕ
СЕКЦИЯ I. ФИЗИКА ЛАЗЕРОВ И ЛАЗЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
Проблема качества лазерного излучения: прошлое и настоящее. Очкин В.Н., Николаев И.В., Короленко П.В., Петерс Г.С., Полоско А.Т.Когерентное заселение в системе взаимодействующих холодных атомов.
Dong Yan, Lijiu Song, Jinhui Wu
Выходные характеристики полупроводникового лазера. Guajun Lin, Baoxue Bao, Xiaohui Ma
Расширение цвета металла на плоской поверхности с помощью фемтосекундного лазера. Halyan Tao, Xin Tan, Xiaowei Song, Bin Chen, Jingquan Lin
Исследование моделей и эксперимента распространения светового пучка в воде. Zhaoshuo Tian, Xiuyun Ren, Tianchi Xu, Shiyou Fu, Qi Wang................. Совершенствование SLM/SLS и SLC технологий. Чивель Ю.
Контроль передовых технологических процессов в металлокерамике.
Чивель Ю
Научно-образовательный Центр «Лазерные системы, нанотехнологии и методы диагностики» – путь интеграции науки, образования и производства.
Степанов В.А., Коненков Н.В., Демкин В.Н., Черняк Е.Я, Трунин Е.Б., Хилов С.И
Акуст-оптическое взаимодействие в кристаллах с гиротропией.
Шакин О.В.
Субволновые световые пучки. Алешкевич В.А., Уваров Н.Г.
Непрерывная генерация двух длин волн 1064,15 и 1061, 5 нм Nd: YAG – лазером. Головков О.Л., Купцова Г.А., Степанов В.А.
Способ формирования информационного поля лазерной системы телеориентации. Головков О.Л., Колесников С.А.
Интегральная модель прохождения импульса лазерного излучения через рассеивающую среду. Головков О.Л., Купцова Г.А., Степанов В.А................. Система лазерной телеориентации объекта. Головков О.Л.
Управление параметрами Nd3±YAG-лазера при сварке разнородных металлических материалов. Абросимов О.А., Горечий А.В., Графонкин К.С., Зарубин М.М., Ястребков А.Б.
Применение лазерного комплекса для маркировки поверхности различных материалов. Каптюшкин О.Е., Хилов С.И., Хилов В.С.
СЕКЦИЯ II. ЛАЗЕРНЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ И ДИАГНОСТИКА
Принципы лазерной рефрактографии и ее применение для исследования физических процессов в жидкости. Ринкевичус Б.С., Расковская И.Л., Толкачев А.В.Рефракция цилиндрического лазерного пучка в диффузионном слое жидкости.
Ринкевичус Б.С., Суровцев П.Ю.
Влияние ионной бомбардировки на комбинационное рассеяние света и полевую эмиссию высокоориентированного пирографита. Борисов А.М., Андрианова Н.Н., Борисов В.В., Машкова Е.С., Тимофеев М.А., Тимофеев О.С., Севостьянова В.С., Виргильев Ю.С.
Применение лазерной гониофотометрии для исследования ионно-лучевого модифицирования поверхности углерод-углеродных композитов.
Андрианова Н.Н., Борисов А.М., Машкова Е.С., Виргильев Ю.С., Севостьянова В.С.
Исследования столкновительного перемешивания различающихся по спину высоковозбужденных состояний гелия методом лазерной накачки короткоживущих уровней атомов в пучке и плазменной ячейке.
Чирцов А.С., Марек В.П.
Лазерный измеритель геометрических параметров быстродвижущихся объектов. Демкин В.Н., Шадрин М.В.
Алгоритм повышенной точности лазерного сканирования в системах быстрого прототипирования 3-мерного проектирования. Демкин В.Н., Шадрин М.В.
Квантовый хаос. Lijun Song, Donh Yan
Методика определения оптимальных концентраций активных ионов в лазерных кристаллах нетрадиционной формы. Ястребков А.Б................ Воздействие лазера на дислокационную структуру металлов.
Смыслова Е.П.
Структурные и фазовые переходы и свойства алюмооксидной керамики под действием лазерного излучения. Красников А.С.
Проектирование и изготовление многослойных покрытий для лазерной люминесцентной спектроскопии. Юсупова О.В., Брик Е.Б., Кучерявый С.И...
СЕКЦИЯ III. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С
БИОЛОГИЧЕСКИМИ ОБЪЕКТАМИ
Управляемый ИК лазерный фототермолиз раковых клеток, клеток крови и кожи на основе технологии золотых плазмонно-резонансных наночастиц диоксида титана и фотосенсибилизаторов. Акчурин Г.Г., Акчурин Г.Г. (мл.), Башкатов А.Н., Браташов Д.Н., Генина Э.А., Горин Д.А., Долотов Л.Е., Максимова И.Л., Портнов С.А., Терентюк Г.С., Хлебцов Б.Н., Хлебцов Н.Г., Тучин В.В.Применение лазерного излучения для экспресс-диагностики функционального состояний растений. Будаговский А.В., Будаговская О.Н., Соловых Н.В., Будаговский И.А.
Реакция растительных организмов на лазерное излучение дотепловой интенсивности. Будаговский А.В., Будаговская О.Н., Соловых Н.В., Будаговский И.А.
О возможности использования частотно-стабилизированного гелийнеонового лазера ЛГН-303 для биоуправления и лазерной терапии.
Власов А.Н.
Способ спектрального анализа и определения концентрации компонент мутного вещества. Головков О.Л., Купцова Г.А.
СЕКЦИЯ IV. НЕЛИНЕЙНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ПЛАЗМЕ
ГАЗОРАЗРЯДНЫХ ЛАЗЕРОВ
Достижения в изучении газообразных стронциевых лазеров.Солдатов А.Н.
Мощные импульсные газоразрядные лазеры УФ- и ВУФ-диапазонов на химически устойчивых молекулах. Козлов Б.А., Паюров А.Я.................. Электроразрядные и генерационные характеристики малогабаритных отпаянных СО2-лазеров сверхатмосферного давления. Козлов Б.А.............. Лазеры непрерывного действия на парах металлов и их применения.
Касьян В.Г., Баринова А.А., Куликов М.И., Пьянов О.Г.
Поляризационная нестабильность в излучении частотно-стабилизированных гелий-неоновых лазеров. Чуляева Е.Г., Чиркин М.В., Керносов М.Ю., Киселев Ю.В.
Методы измерения параметров частотно-стабилизированных лазеров.
Воробьев В.П., Керносов М.Ю., Кондрахин А.А., Мельничук Г.В., Чуляева Е.Г.
Влияние разъюстировки зеркал на выходные характеристики волноводных газоразрядных лазеров. Мольков С.И.
Формирование рельефа на поверхности катода He-Ne лазера. Киселев Г.В., Моос Е.Н., Степанов В.А.
Критичность структуры слоев лазерных гетеросистем Si (111) – Ge.
Киселев Г.В., Иняков В.В., Моос Е.Н., Руденко А.И.
Активная среда газоразрядных лазеров. Привалов В.Е., Фотиади А.Е....... Метод зеркальных шумовых образов. Чернов Е.И., Соболев Н.Е................
СЕКЦИЯ V. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
В НАНОГЕТЕРОСТРУКТУРАХ И МЕТОДЫ ИХ ДИАГНОСТИКИ
Линейные и нелинейные оптические свойства основанных на флуореноне линейных конъюгированных олигомеров. Tianhang Huang, Yinghui Wang, Hanzhuang ZhangСтабилизация фотолюминесценции пористого кремния. Трегулов В.В....... Бесконтактный микроволновый метод определения концентрации носителей заряда и квантового холловского сопротивления в полупроводниковых наноструктурах. Корнилович А.А., Литвинов В.Г.
Исследование химического состава поверхности пленок CdS методом электронной оже-спектроскопии с наноразмерным разрешением.
Скопцова Г.Н.
СПИСОК ОРГАНИЗАЦИЙ, УЧАСТВУЮЩИХ В КОНФЕРЕНЦИИ.......... СПИСОК АВТОРОВ
LASER PHYSICS AND LASER TECHNOLOGY
ФИЗИКА ЛАЗЕРОВ И ЛАЗЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
PROBLEM OF THE LASER BEAM QUALITY: PAST AND PRESENT
P.V. Korolenko, I.V. Nikolaev, V.N. Ochkin, G.S. Peters, A.T. Polosko P.N. Lebedev Physical Institute of the Russian Academy of Sciences The problem of improvement of the laser beams quality, arisen at once after creation of the first lasers, keeps the urgency and now. It is caused by emergence of new types of lasers and increase of requirements to laser radiation parameters.In this report the short review of a retrospective and condition of the laser beam quality problem is provided. The review contains three sections. In the first section questions of improvement of gas-discharge lasers characteristics are considered; in the second – distortions of laser beams in the ground atmosphere are described; in the third section the problem of radiation quality is considered with reference to semiconductor lasers which are widely used in optical spectroscopy.
The greatest attention is given to CO2–lasers. Possibilities of improvement of radiation properties of waveguide lasers, TEA-lasers, lasers with coaxial geometry of an active medium, and fast-flowing lasers were studied. For improvement of characteristics of wide aperture lasers resonators with a local output of multipass modes were offered [1]. They allowed at good filling of the active medium to provide formation of beams with small angular divergence. The way of formation of small divergence radiation by means of the phase changes compensator was developed and used in technological lasers [2]. By optimization of characteristics of such lasers influence of a nonlinear optical wedge in the active medium was considered. Critical level of aberrations which causes emergence of screw dislocations on the beam wave front is established.
Experiments on optical paths in the big city showed that strong atmospheric turbulence also can lead to formation of the dislocation structure of the wave front [3] (Fig. 1). The observable intermittence of small-scale atmospheric turbulence can become a considerable obstacle for high-quality optical communication. It causes a sporadic stochasticity of radiation at which the structure of laser beams takes a spekl simularity form.
The attention was paid to an assessment of radiation quality of semi-conductor lasers with frequency scanning used in diode spectroscopy. It was established that beams of semi-conductor lasers with the traditional scheme of the cavity can be used for diagnostics of substance with small absorption in multipass resonators [4]. They allow to register factors of absorption about 10-10 cm-1.
Fig. 1. Cross-section structure of laser beams in the atmosphere (a, b) and their holograms (c, d); a, c – weak turbulence, b, d – strong turbulence; screw dislocations are in points of branching of fringes on hologram d.
Possibility of transition in precision spectroscopic devices on use of semiconductor lasers with vertical resonators was considered. Experiments showed that in such lasers there is a danger of a beam profile distortion as the output aperture increases (Fig. 2). These distortions can be combined with instability of the directional pattern of radiation at level 10-4. Thereby the problem of improvement of characteristics of such lasers needs the solution.
Fig. 2. Intensity distribution in a output beam of the semi-conductor laser with the vertical resonator on cross-section coordinate x.
References:
1. Korolenko, P.V. Main properties and potential practical applications of M-mode lasers / P.V. Korolenko, N.N. Fedotov, V.F. Sharkov. // Quantum Electron. – 1995. – V. 25. - № 6. – P. 536 – 539.
2. Galushkin, M.G. Phase correction of radiation emitted by a powerful industrial laser with higher mode selection / M.G. Galushkin, P.V. Korolenko, V.G. Makarov, A.T. Polosko, V.P. Yakunin. // Quantum Electron. – 2002. – V. 32. P. 547–552.
3. Arsen'yan, T.I. Fluctuations of laser beams over urban near-the-ground path / T.I. Arsen'yan, P.V. Korolenko, M.S. Maganova, V.G. Lomonosov, I.A. Tanachev. // Quantum Electron. – 2005. – V. 35.- № 2. – P. 119 – 122.
4. Nikolaev, I.V. Phase method registration of weak absorption spectrums using a diode laser and high-quality resonator / I.V. Nikolaev, V.N. Ochkin, M.V. Spiridonov, S.N. Tskhai. // Preprint P.N. Lebedev Physics Institute (LPI RAS). - Moscow. – 2011. – № 23. – 36 p.
ПРОБЛЕМА КАЧЕСТВА ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ:
ПРОШЛОЕ И НАСТОЯЩЕЕ
П.В. Короленко, И.В. Николаев, В.Н. Очкин, Г.С. Петерс, А.Т. Полоско Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской Академии Наук Проблема повышения качества лазерных пучков, возникшая сразу же после создания первых лазеров, сохраняет свою актуальность и в настоящее время. Это обусловлено тем, что, во-первых, постоянно возникают новые типы лазеров, нуждающиеся в оптимизации характеристик, во-вторых – из-за расширения области применения лазерных устройств непрерывно растут требования к параметрам лазерного излучения.В данном докладе приведен краткий обзор ретроспективы и состояния проблемы улучшения качества лазерного излучения. Наиболее подробно рассмотрены результаты исследований, проводимых на кафедре оптики и спектроскопии физического факультета МГУ, являющейся базовой кафедрой ФИАН.
Обзор содержит три раздела. В первом разделе освещены вопросы, относящиеся к улучшению характеристик газоразрядных лазеров, во втором – рассмотрены факторы, влияющие на пространственно-временную структуру лазерных пучков в процессе их распространения в приземной атмосфере, наконец, в третьем разделе проблема качества излучения рассмотрена применительно к полупроводниковым лазерам, используемых в задачах оптической спектроскопии.
Среди газоразрядных лазеров наибольшее внимание уделено улучшения свойств излучения волноводных лазеров, ТЕА-лазеров, лазеров с коаксиальной геометрией оптического тракта, а также быстропроточных лазеров. Для улучшения характеристик широкоапертурных лазеров были предложены резонаторы с локальным выводом излучения многоходовых мод [1]. Они позволили при высокой степени заполнения активной среды обеспечить формирование пучков с малой угловой расходимостью. Весьма эффективными такие резонаторы оказались для лазеров с коаксиальной газоразрядной камерой. Был разработан и использован в технологических лазерах способ формирования узконаправленного излучения на основе использования в сочетании с выходным зеркалом корректора фазы [2]. При оптимизации характеристик быстропроточного лазера с узконаправленным выводом излучения было учтено влияние нелинейного оптического клина, образующегося в активной среде. Подробно исследовано влияние аберраций на свойства выходных пучков. Установлен критический уровень аберраций, превышение которого приводит к появлению на волновом фронте пучков винтовых дислокаций.
В ходе экспериментов, проведенных на приземных оптических трассах, работающих в условиях большого города, было обнаружено, что сильная атмосферная турбулентность также может приводить к формированию дислокационной структуры волнового фронта даже на относительно коротких трассах (порядка 1 км) [3] (рис.1). Эксперименты показали, что определенным препятствием для качественной оптической связи по открытым каналам распространения может стать наблюдаемая перемежаемость мелкомасштабной атмосферной турбулентности.
Она вызывает спорадическую стохастизацию излучения, при которой структура лазерных пучков приобретает спеклоподобный вид. В условиях перемежаемости мелкомасштабной турбулентности большое значение имеет правильный выбор апертуры распространяющихся в атмосфере пучков.
Поскольку широкой областью применения лазеров является оптическая спектроскопия, в ходе совместных работ с отделом низкотемпературной плазмы ФИАН было уделено внимание оценке качества излучения используемых в диодной спектроскопии перестраиваемых по частоте полупроводниковых лазеров.
Было установлено, что полупроводниковые лазеры (InGaAIP, Sanyo) с традиционной схемой резонатора генерируют приемлемые по качеству лазерные пучки, позволяющие формировать в резонаторах со слабо поглощающим веществом, устойчивые многоходовые структуры [4]. Такие структуры с гауссовым профилем образующих пучков дают возможность регистрировать коэффициенты поглощения порядка 10-10 см-1.
Рис. 1. Поперечная структура лазерных пучков в приземной атмосфере (а,b) и их голограммы (c,d); a,c – слабая турбулентность, b,d – сильная турбулентность; винтовые дислокации располагаются в точках ветвления интерференционных полос на голограмме d.
спектроскопических устройствах на использование полупроводниковых лазеров с вертикальными резонаторами (VERILAS VCSEL Diods). Выяснилось, что, в таких лазерах, несмотря на целый ряд их достоинств, существует опасность искажения профиля интенсивности пучка из-за увеличения выходной апертуры (рис. 2). Эти искажения могут сочетаться с нестабильностью диаграммы направленности излучения на уровне 10-4 рад.
Рис. 2. Распределение интенсивности в выходном пучке полупроводникового лазера с вертикальным резонатором Тем самым задача улучшения характеристик выходного излучения таких лазеров представляется весьма актуальной.
Литература:
1. Короленко, П.В. Основные свойства и перспективы практического использования лазеров на М-модах / П.В. Короленко, Н.Н. Федотов, В.Ф. Шарков. // Квантовая электроника. – 1995. - Т. 22. - № 6. - С. 562-566.
технологического лазера с селекцией высших мод / М.Г. Галушкин, П.В. Короленко, В.П. Якунин и др. // Квантовая электроника. - 2002. - Т. 32. C. 547 – 552.
3. Арсеньян, Т.И. Флуктуации лазерных пучков на приземной городской трассе / Т.И. Арсеньян, П.В. Короленко, М.С. Маганова и др. // Квантовая электроника. – 2005. - Т. 35. - № 2. - С. 119-122.
4. Николаев, И.В. Регистрация спектров слабого поглощения фазовым методом с использованием диодного лазера и высокодобротного резонатора / И.В. Николаев, В.Н. Очкин, М.В. Спиридонов, С.Н. Цхай // Препринт ФИАН им. П.Н. Лебедева. – Москва. - 2011. - № 23. – 36 c.
COHERENT POPULATION TRANSFER IN A SYSTEM OF INTERACTING
COLD ATOMS
КОГЕРЕНТНОЕ ЗАСЕЛЕНИЕ В СИСТЕМЕ ВЗАИМОДЕЙСТВУЮЩИХ
ХОЛОДНЫХ АТОМОВ
School of Science, Changchun University, Changchun, China Институт естественных наук, Цзилиньский университет (Чаньчунь) Abstract: We study the coherent population transfer from a ground state to a Rydberg state in a dilute sample of cold atoms. The dynamics of the transfer is strongly affected by the dipole-dipole interaction characterized by a vdW potential.Our numerical results show that, by modulating detunings of a pump pulse and a Stokes pulse applied in the counter-intuitive order, we can drive the dilute sample either into the blockade regime or into the anti-blockade regime. In the blockade regime, only one atom is allowed to be coherently transferred into the Rydberg state.
While in the anti-blockade sphere, however, both atoms in a micro sphere can be efficiently excited into the Rydberg state.
Key Words: stimulated Raman adiabatic passage; coherent population transfer dipole blockade; dipole anti-blockade.
1. Introduction So far non-coherent laser excitation is still the main approach to pump atoms into the Rydberg states of quite high principle quantum numbers [1]. But it is recently reported that cold atoms and Bose-Einstein condensates may also be prepared into a desired Rydberg state via coherent laser excitation [2]. This opens an avenue to study many remarkable properties [3] as induced by very strong dipole-dipole interactions, among which the blockade effect [4] has attracted great attention due to its potential application in quantum information processing and reliable single-photon generation [5].
Fig. 1 (a). A dilute sample of cold atoms. (b) Schematic of a three-level system and the interaction between atom A and B. (c) A typical STIRAP process.
In this paper we study a dilute sample of cold atoms driven by a pump field and a Stokes field into the ladder configuration involving a Rydberg state. The sample is so dilute that there is only two cold atoms in a blockade sphere on the average. Our numerical calculations show that, with the typical STIRAP technique, we can drive the cold atomic sample either into the blockade regime or into the anti-blockade regime [7] just by modulating detunings of the pump and Stokes fields. To be more specific, only one atom in a blockade sphere can be transferred into the Rydberg state when the pump and Stokes pulses are on exact two-photon resonance; both atoms in a blockade sphere may be simultaneously excited into the Rydberg state when the vdW potential is compensated by a suitable two-photon detuning.
Fig. 2 (a). Single Rydberg excitation Fig. 3. Mean eigen value as a function excitation, and (c) double Rydberg excitations with vdW as a function We consider here a cold atomic sample where only two atoms are contained in a blockade sphere of radius rb on the average as shown in Fig. 1(a). The three states are driven into the ladder configuration by two laser fields (the pump and the Stokes) with Rabi frequencies p and s, respectively. The detunings are s s r 2, p p 21, and p s. The two atoms will experience a large vdW potential Vd and therefore become quantum correlated due to the dipole-dipole interaction [10]. In this case, we can write down the two-body Hamiltonian being the Hamiltonian shared by both of them. In the above, we have defined p s as the two-photon detuning between state 1 and state r.
The optical response of both atoms in a blockade sphere can be examined by solving the master equation of two-body density operator AB. In the next, we only consider the case where the pump field and the Stokes field are modulated into two Gaussian pulses separated by a time delay so that we have In a typical STIRAP process, the two Gaussian light pulses are required to be applied in the counter-intuitive order characterized by T p Ts 0.
In the presence of dipole-dipole interaction Vd, to achieve the complete population transfer from state 1 and state r for both atoms in a blockade sphere, one feasible way is to find the following eigenstate The existence of D(t ) can be verified by numerically solving the secular equation of the two-body Hamiltonian to attain the smallest absolute eigenvalue min (t ) with its mean value being very close to zero.
3. Results and discussion In the absence of an vdW potential, we always have rr,rr rr because rr rr so that it is enough to examine only rr as given in Fig. 2(a). When the vdW potential is nonzero, however, we may have rr,rr rr because rr could be very different from rr as a result of the dipole blockade effect. It is why we have plotted rr and rr, rr, respectively, in Fig. 2(b) and Fig. 2(c). From Fig. 2(b), we can see that the fan-like region indicating efficient single Rydberg excitation rr moves left with its center located at Vd / 2. This implies, in fact, an antiblockade effect where two continuous-wave fields are applied instead. Note also that the single Rydberg excitation rr reduces to less than 0.5 near the two-photon resonance 0 as a signature of the dipole blockade effect. The existence of both blockade and anti-blockade effects is further verified by Fig. 2(c) where we find rr,rr 1 in a fan-like region centered at Vd / 2 but rr, rr 0 near the two photon-resonance 0.
To attain efficient double Rydberg excitation rr,rr 1, we should try our best to avoid populating the intermediate state 2 with a large decay rate 21 at any time.
That is, the atomic system under consideration should evolve in a quasi-dark state D(t ) approximately excluding the contribution of state 2 during the STIRAP process. In Fig. 3, we plot the mean value as a function of the single-photon detuning p and the two-photon detuning. It is clear that is very small when Vd / 2 50 MHz so that we can claim that the efficient double Rydberg excitation in Fig. 2(c) is attained when the two-body system evolves in a quasi-dark state D(t ).
4. Conclusion In summary, we have demonstrated a feasible way to achieve efficient population transfer from the ground state into the Rydberg state, namely, using antiblockade effect and never populating the excited state.
References:
1. Miroshnychenko Y., Gatan A., Evellin C., Grangier P., Comparat D., Pillet P., Wilk T., Browaeys A. // Phys. Rev. – A 82, 013405. – 2010.
2. Cubel T., Teo B.K., Malinovsky V.S., Guest J.R., Reinhard A., Knuffman B., Berman P.R., Raithel G. // Phys. Rev. – A 72, 023405. – 2005.
3. Gallagher T.F. Rydberg Atoms // Cambridge University Press. – 1994.
4. Tong D., Farooqi S.M., Stanojevic J., Krishnan S., Zhang Y.P., Ct R., Eyler E.E., Gould P.L. // Phys. Rev. Lett. 93, 063001. – 2004.
5. Saffman M., Walker T.G. // Phys. Rev. – A 66, 065403 (2002).
6. Amthor T., Giese C., Hofmann C.S., Weidemuller M. // Phys. Rev. Lett. 104, 013001. – 2010.
7. Ates C., Pohl T., Pattard T., Rost J.M. // Phys. Rev. Lett. 98, 023002. – 2007.
OUTPUT PROPERTIES OF FIBER-COUPLED SEMICONDUCTOR LASERS
ВЫХОДНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ЛАЗЕРА
Changchun University of Science and Technology Summary: The paper presents the results of high performance Fiber-coupled semiconductor lasers. Both semiconductor lasers in the 810 nm waveband and nm band (including ~ 1 m wavelength) have been addressed for pumping application and for materials processing applications. Both fiber-coupled semiconductor lasers from multi-emitters and multi-bars have been designed and experimentally fabricated and their performance studied, including P-I characteristics and output beams.References:
1. High Power Semiconductor Lasers and Their Beam Properties 2010 IEEE 2. Yang G.W., Xu J.Y., Xu Z.T., Zhang J.M., Chen L.H., Wang Q.M., Theoretical investigation on quantum well lasers with extremely low vertical beam divergence and low threshold current. // J. Appl. Phys. – 1998. – V. 83. – P. 8.
EXTENDING THE COLORING OF METAL FROM A PLANAR TO
NON-PLANAR SURFACE BY FEMTOSECOND LASER
РАСШИРЕНИЕ ЦВЕТА МЕТАЛЛА НА ПЛОСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ
С ПОМОЩЬЮ ФЕМТОСЕКУНДНОГО ЛАЗЕРА
Changchun University of Science and Technology, Changchun, China Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Abstract: The coloring of Al surface has been realized with scanning focused femtosecond laser beam on the Al surface. Interestingly, femtosecond laser-treated Al surface appears as black, grey or golden, and the coloring depends strongly on microand nano-structure formed on Al surface. We further apply femtosecond laser filamentation to form micro- and nano-structures on a spherical Al surface, resulting in a black appearance of the spherical Al. This work opens ways to fabricate strong light-trapping micro- and nano-structure on a non-planar surface without the complexity of a 4-axis sample control.Key Words: femtosecond laser; metal coloring; filament; micro- and nano-structures
1. Introduction
Micro- and nano-sized structures have been fabricated on various materials, including dielectric semiconductor and metal [1-4]. Recently, micro- and nanostructures on a metal surface have been generated with femtosecond laser pulses and it has been found that optical property of the metal surface can be significantly changed [5-7]. Surface nanostructuring of metals by femtosecond laser pulses is a promising technology to fabricate nanoscale functional device. And the colorized metal has potential application in photonics, plasma, photoelectronics, bioinstrumentation, solar panels and so on.In this paper, we report experimental results of employing femtosecond laser pulses to ablate Al surface. The laser-induced micro- and nano-structures have been generated on Al surface, realizing the coloring of the metal surface without chemical painting or coating. We found that femtosecond laser induced surface structure contributes significantly to the alteration of the metal optical properties thus resulting in a colorful appearance. We analyzed formation mechanism of micro- and nanostructures on the surface of Al sample and measured the absorption of the metal surface. Moreover, we report the formation of strong light-trapping micro- and nanoscale structures on a spherical Al surface by using a femtosecond laser filament, and the filament treated spherical Al shows a black surface, which extends the formation of micro- and nano-structures on sample surface from a planar to nonplanar ones.
The laser used in this experiment is a Ti: sapphire femtosecond laser amplification system that delivers pulse energy of 4 mJ with temporal duration of 50 fs at repetition rate of 1 kHz. The laser operates at a central wavelength of 800 nm. Surface roughness of Al planar sample machined by diamond lathe is less than 10 nm and the Al sphere is shaped by a numerical control machine.
The sample is mounted on a two-dimensional motor-controlled translation stage. The laser beam is focused by a lens with focal length of 250 mm and irradiates onto the Al sample at normal incidence. For filament processing case a lens of f = 1 m is used.
The sample is moved in x-y directions by a motor-controlled stage while the laser beam is kept fixed. Neutral density filters are used as attenuators to adjust incident laser energy density on the metal surface. The structures induced by femtosecond laser are studied with a scanning electron microscope (SEM), and absorption efficiency of ablated Al surface in the wavelength range of 380-2250 nm is measured by a spectrometer with an integrating sphere.
3. Experimental results and discussion Figure 1 shows black, gray, and golden Al, which have been fabricated by scanning the femtosecond laser beam. In our study, black Al sample is produced with laser uence of 4.62 J/cm2, scanning speed of 1 mm/s and scanning interval of m. Gray Al sample is obtained with laser uence of 4.43 J/cm2, scanning speed of mm/s and scanning interval of 50 m. Golden Al sample is fabricated with laser uence of 3.55 J/cm2, scanning speed of 15 mm/s and scanning interval of 150 m.
Different-color appearance of the laser-treated Al indicates that optical absorption of Al is significantly modified with different experimental parameters. For instances, the black Al sample appears visually black, this is an indication that the treated Al is highly absorptive in the visible wavelength range. Figure 2 gives optical absorption of the black and golden Al in the range of 380-2250 nm. In this wavelength range, reflectance of the black Al lowers down to 5 %, which is decreased over the polished Al significantly. We notice that the reflectance of the golden Al in the measured wavelength range is higher than that of the untreated Al.
Fig. 2. Reflectance efficiency of Al Fig. 3. SEM images of the black (a, b) samples as a function of wavelength. and golden (c, d) Al surface;
Different optical absorption property of Al treated with femtosecond laser is ascribed to formation of various micro- and nano-structures on its surface. Figure shows the SEM image of the black (a, b) and golden (c, d) samples.
As shown in Fig. 3 (a) and (b), the black Al is rich in kinds of microcolums, and there are nanoscale structures that exist on the columns. Multi-refletion inside microcavities, which occurs among columns, will help to convert the light energy into heat through iterative absorption [8]. Nevertheless, surface-plasmon resonance is another mechanism for the light absorption. Comparatively, the golden Al as shown in Fig. (c) and (d) is quite different from the black Al, and its surface seems to be less ablated by the femtosecond laser pulse. Moreover there is no such kind of microcolomns formation on its surface like the ones that appear in the black Al. Instead, the surface is only covered with a lot of irregular shaped nanoscale structures. In this case, the absorptive property of the laser-treated Al is modulated by those nanoscale irregular structures on the laser-treated surface, which results in a selective surface plasmons absorption [9]. The greater absorption at blue and green region leads to the lasertreated Al appearance to be golden.
For decades, a planar surface sample as used in Fig. 1 has to be selected for femtosecond laser fabrication of micro-and nano-structures because a tightly-focused laser beam is required to process the surface. Therefore treatment of a non-planar surface becomes extremely difficult, in particular irregular ones. A possible solution to this issue is to employ a complicated 4-axis sample holder or an extended Rayleigh range of the focusing optics. Femtosecond laser filamentation in air offers a great promise for circumventing the difficulty in the fabrication of micro-and nanostructures on a non-planar or even more complex surface. In the following we present the experimental results that take advantage of the merit of the extended Rayleigh range and a clamped intensity of a femtosecond filament in air to fabricate micro- and nanostructures on non-planar surfaces. Figure 4 (a) and (b) show photos of a section of untreated Al sphere and the corresponding black spherical Al that has been obtained by scanning the femtosecond laser filament on its surface. In this case a ~10 cm length of femtosecond filament formed with laser pulse energy of 3.6 mJ is used to scan the spherical Al surface. We obtain microcolumns with a typical dimension of 20 mm in diameter as well as the associated nanostructures on the spherical Al surface as shown in Fig. 4 (c) and (d).
Fig. 4. Samples of the colored spherical Al sample by femtosecond laser filament (a) untreated spherical Al, (b) black spherical Al, (c and d) SEM images of the black Al. The sample is a section of an Al sphere with a radius of 18 mm 4. Conclusions In this work, black, grey and golden colors of the Al surface are obtained when the laser beam scan the planar Al sample. The optical absorption property of the laserirradiated Al has been significantly changed, and this change is mainly due to the formation of a combination of micro- and nano-sized structures on Al surface. In particular, a black metal is a promising new light-absorption material, which can find applications in the area of solar panels, detectors in optical instruments, heat convertor and so on. Moreover, femtosecond laser filament processing technology is used to extend the fabrication of micro- and nano-structures on metals from a planar to a spherical surface without the complexity of 4-axis sample control, thus it opens up the ways for processing metal with complex surfaces.
References:
1. Tsing-Hua Her, Finlay R.J., Wu C., Deliwala S., Mazur E. Microstructuring of silicon with femtosecond laser pulses. // Appl. Phys. Lett. 73, 1998. – P. 1673Tull B.R., Carey J.E., Sheehy M.A., Friend C., Mazur E. Formation of silicon nanoparticles and web-like aggregates by femtosecond laser ablation in a background gas. // Appl. Phys. A. 83, 2006. – P. 341-346.3. Yasumaru N., Miyazaki K., Kiuchi J. Femtosecond-laser-induced nanostructure formed on hard thin lms of TiN and DLC. // Appl. Phys. A. 76, 2003.
– P. 983-985.
4. Wu X.J., Jia T.Q., Zhao F.L., Huang M., Xu N.S., Kuroda H., Xu Z.Z.
Formation mechanisms of uniform arrays of periodic nanoparticles and nanoripples on 6H-SiC crystal surface induced by femtosecond laser ablation. // Appl. Phys. A.
86, 2007. – P. 491-495.
5. Vorobyev A.Y., Chunlei Guo. Colorizing metals with femtosecond laser pulses. // Appl. Phys. Lett. 92, 2008. P. 041914-1 - 041914-3.
6. Vorobyev A.Y., Makin V.S., Chunlei Guo. Brighter Light Sources from Black Metal: Signicant Increase in Emission Efciency of Incandescent Light Sources. // Phys. Rev. Lett. 102, 2009. P. 234301-1 - 234301-4.
7. Vorobyev A.Y., Chunlei Guo. Reflection of femtosecond laser light in multipulse ablation of metals. // J. Appl. Phys. 110, 2011. P. 043102-1 - 043102-9.
8. Yang Y., Yang J., Liang C., Wang H. Ultra-broadband enhaned absorption of metal surfaces structured by femtosecond laser pulses. // Opt. Express 16, 2008.
P. 11259 – 11265.
9. Vorobyev A.Y., Chunlei Guo. Effects of nanostructure-covered femtosecond laser-induced periodic surface structures on optical absorptane of metals. // Appl. Phys.
A. 86, 2007. P. 321 – 324.
STUDY OF THE LIGHT BEAM PROPAGATION SIMULATION AND
EXPERIMENTS THROUGH WATER
ИССЛЕДОВАНИЕ МОДЕЛЕЙ И ЭКСПЕРИМЕНТА
РАСПРОСТРАНЕНИЯ СВЕТОВОГО ПУЧКА В ВОДЕ
Zhaoshuo Tian, Xiuyun Ren, Tianchi Xu, Shiyou Fu, Qi Wang Harbin Institute Of Technology at Weihai, Weihai, China Научно-исследовательский институт оптоэлектроники, Харбинский технологический институт, Вэйхай Abstract: The water molecules and other particles usually affects the propagation of light through water. In the paper, based on the theory of the light propagation through a random media, an analysis was made of the tectonic condition of the water turbulent phase screen, which was numerically simulated by using the Huygens-Fresnel principle and the theory of scalar diffraction. Then the far-field characteristic of the light beam propagating through the water turbulence from the transmitter plane to the receiver plane was also analyzed. The simulative study shows the existence of water molecules and other particles has a great impact on the energy distributions and amplitude of the light beam. In experiments, a CCD camera was used to analyze the pictures from the laser beam after passing through water. The experimental results were consistent with that of theoretical analysis.
ADVANCES AT SLM/SLS AND SLC TECHNOLOGIES
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ SLM/SLS И SLC ТЕХНОЛОГИЙ
Abstract: Poor efficiency of selective laser sintering/melting (SLS/SLM) and selective laser cladding (SLC) processes and poor articles surface quality are mainly responsible for its slow manufacturing application. In the present paper a new results of this technologies perfection with the aim to increase of productivity and articles quality are presented.
1. Introduction
For one layer at a time fabrication of a real copy of 3D-objects the laser methods are gaining the greatest acceptance. The selective laser melting/sintering (SLM/SLS) and selective laser cladding (SLC) are the two named make it possible to produce 3D-objects with high-performance operational characteristics directly from metal powders.For one layer at a time fabrication of a real copy of 3D-objects the laser methods are gaining the greatest acceptance. The selective laser melting/sintering (SLM/SLS) and selective laser cladding (SLC) are the two named make it possible to produce 3D-objects with high-performance operational characteristics directly from metal powders SLC-process yields a higher strengthening characteristics of product at negligibly small porosity. Under SLC-process the powder particles are injected from one side into the focal region where the molten puddle on a substrate surface exist.The duration of particles stay in the region of laser heating is very small and particles are melted only in molten puddle. At high concentration of particles in powder stream its screen surface. The maintenance of molten puddle in the case of metal object is an energy-expensive. All add up to a drop in process efficiency and accuracy which are not more then ~ 100 m.
New SLC technology [1], based on a new method of laser radiation delivery to dispersed medium [2] was created. Laser power deliver to micropowder stream uniformly across the surface of stream and effective heating of particles are realized.
Simultaneously surface are heated both by laser radiation under correspondingly surface location relative to conical beam and by the hot particle.
Fig. 1. Scheme of (a) a conventional SLC technology and new one (b).
The optical scheme for delivery of laser energy to powder stream (c):1 – laser beam, 2 – conical mirror, 3, 4 – totally reflecting prism, 5 – focusing region.
(d) - Radial dependence of incident conical beam intensity at the different levels The new method is more efficient because heating of small particles at stationary mode of operation and a total uniform absorption of laser beam energy is possible in the dense powder stream. In the convergence area of conical beam the focal line 5 is formed. To this region which support on surface the dense powder stream is injected. At the surface the ring focal spot is formed and surface heating is available by laser. By this means as contrasted to the conventional SLC technologies the effective heating both particles and surface is realized. The calculations of efficiency of the process of 3D-object production using conical beam made it apparent that the consumption of energy is 2·103 J/g. That is one order of magnitude less than in well known LENS-process, DLF-process. The accuracy of the new technology can be estimate as ~ 1-10 m under high coefficient of powder utilization.
3. Laser radiation heating of powder stream The calculations of laser power absorption in powder stream taking into account attenuation of laser light in snugpacking dispersed layer are conducted. The calculations are carried out for Ti-spherical particles with diameter 30 m and density 106 cm-3. The radius of powder stream is taking to be 250 m as in experiment. The transmission of coherent light by powder stream has described by the relationship:
where (R – r) – depth of laser light penetration into the powder stream in m, – attenuation coefficient Dynamics of heating and evaporation of spherical particles is described by equations:
where E – energy flow from particle surface, L – specific heat of evaporation, G – mass flow from surface, q – laser radiation intensity, r,r – density and radius of particles, Q – particle absorption factor, C – specific heat.
According the calculations for free fall particles duration of stay in the heating region ~ 10-2 s, the required laser power for melting 30 µm Ti-powder in such streams exceed ~ 250 W and total speed of evaporation equal 36 g/hour under power imputs ~ 12 W hour/g. Shown in Fig. 4 is the temperature of the Ti particle surface as a function of longitudinal position in the conical beam and a time. The results have been obtained [3] by numerical solution of nonstationary heat conduction equation.
Fig. 4. Temperature of the Ti particles surface under laser pulse action 4. Nanopowders production using conical beams Elaborated method also have been used for nanopowder production [4].
Microparticles discharged from feeder 3 (Fig. 5a) are evaporated by conical beam and drifting condensed nanopowders by gas stream to glass fiber filter 7.
Such process have a higher efficiency (~ 3 times more) as compared to vaporization of the pellet from compacted powder.
Fig. 5. Schematic of experimental set-up for laser ablation with conical beam (a): 1 – laser beam; 2 – conical mirror; 3, 4 – micropowder feeder;
5 – conical beam line; 6 – camera body; 7 – filter; 8 – microparticles collector;
9, 10 – circulating gas system; (b) – nanoparticles on glassfiber.
5. Selective laser sintering/melting.
The problem on fabrication of powder parts from spherical Ti- powder with high porosity for medical applications has been solved through the interplay of modelling and optical monitoring. By numerical simulation on supercomputer K-500 the process of heating of the contact points between spherical Ti- particles diameter 200 µm under the action of the pulse – periodic laser radiation on two layer powder bed has been investigated [6]. Optimal regimes of sintering were determined.
Fig. 6. Temperature distribution on the particles surface (a). Contact point heating under laser spot scan (b). Temperature in 103 K, time in 10-2 s. Laser pulse At experiment a spherical Ti- powder with a diameter of 200 – 300 m has been used. The diameter of the irradiation spot is maintained constant and equal 0,6-0,8 mm, which provided cover of several particles. Sintering with formation of the contact necks is conducted in a narrow range of scan speed – 0,4-0,8 mm/s. Under laser pulse duration 2-3 ms and average power 36-50 W at these speeds a reliable contact sintering of Ti- powders occurred.The colour temperature in this case is within the 1900 K – 2070 K. Influence of the average power on the spatial distribution of the surface temperature in the sintering zone has been revealed.
Fig. 7. Average power dependence on the surface temperature (a);
(b,c) - Multilayered powder body sintering from 300 µm spherical Ti- powder Pulse
References:
1. Chivel Yu. // Technical Phys. Lett. 31. – 2005. – № 1.1-3.2. Chivel Yu. Method and device for laser cladding. // Patent № 6931 (2004).
3. Chivel Yu., Khilo N., Yushkevich V. Optical Memory and Neural Network. // Alerton Press. – 2007. – № 4. – P. 51-58.
4. Chivel Yu. Proc. IV Int. Cong. LIM 2007. Munich, P.137–140.(2007).
5. Diettrich J., Stollenwerk J., M. Kogel-Hollacher et al. Proc.V Intern.Conf.
LIM 2009, 251- 256 (2009).
6. Chivel Yu., Petrushina M., Pogudo L. // High Temperature. 2006. – № 44. – P. 148-152.
OPTICAL MONITORING OF ADVANCED POWDER METALLURGY
TECHNOLOGICAL PROCESSES
КОНТРОЛЬ ПЕРЕДОВЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
В МЕТАЛЛОКЕРАМИКЕ
Abstract: Monitoring of selective laser sintering/melting (SLS/SLM) process by optical diagnostics is developed. Visualisation of the zone of fabrication is carried out at different scales. Thermal mapping of the temperature field in the zone of sintering/melting carried out with time resolution ~ 100 µs using high speed videocamera or intensified camera. Maximum surface temperature is calculated based on measurements of two wavelengths pyrometer with time resolution 50 µs and spatial resolution 50 µm and its values are used for express control of manufacturing quality.1. Introduction In order to ensure the product quality it becomes necessary to take suitable measures for process monitoring and online control in powder metallurgy technological processes. The paper will give an overview about the development of a monitoring system adapted for SLS/SLM-process. Selective laser sintering/melting processes are extremely complex and multivariate and require a high level of monitoring and control. A major role can be played by the remote on-line optical process monitoring which allows any fluctuations from optimal condition to be observed. This line of the process monitoring strongly develop at present time [1]. In most papers the evolution of the optical emission from the melt in one or more spectral range was recorded and the process was monitored from the level or character of the optical signal. However for the precision control of the SLS/SLM processes the measurements of the main parameters of these processes – maximum surface temperature, temperature distribution in the processing area, size of the melt and control their evolution are necessary [2,3]. In the present paper, development of a on-line temperature monitoring systems with high temporal and spatial resolution adapted for SLS/SLM-process are discussed.
2. Temperature monitoring systems for SLS/SLM processes Temperature monitoring of the SLS/SLM process is based on optical measurements of temperature distribution at the sintering zone by videocamera and maximum surface temperature control in irradiation spot using high speed two wavelengths pyrometer.
In the creation of temperature monitoring system a combination of two type optical sensors – 2D sensor – digital CCD camera and single spot sensor- pyrometer on the base of photodiodes which integrate thermal radiation emitted by a surface of certain size are used. The monitoring systems are developed and produced both for SLS machine with relatively large processing spot and SLM machine in which layers of powder material are fully melted in and around very small laser spot spot taking into account a peculiarities of these processes.
System of temperature monitoring for SLS process is realized as coaxial type system on laser technological device with a 2D plotter laser scanner setup [3]. The camera with MCP plate and pyrometer on the base of two diodes are adapted to the scanner optic through a 90° beam splitter, see Fig. 2a. Scanner head was equipped with 200 mm focusing lens which resulting in a focal diameter 400 – 800 µm.
Fig. 1. Optical system for SLM process monitoring: integrated with SLM machine Phenix 100 (a); optical system for SLS machine (b).
For monitoring SLM process the temperature monitoring system is carried out with a 2D laser galvo scanner setup. The CCD camera and two channel pyrometer are integrated with the optical system of industrial laser machine Phenix 100 (Fig, 1b) through the system of gradient and dichroic mirrors [5].
The intensity profiles along the selected straight lines (horizontal and vertical ones) can be measured and colour temperature is calculated and distribution in the sintering zone is displayed (Fig. 2,3).
Fig. 2. (a) Spatial distribution of thermal radiation intensity at two wavelengths (left image is recorded at l2 = 0,9 µm and right image is recorded at l1 = 0,7 µm). Laser spot size – 600 µm. Spherical Ti powder; (b) Spatial profile of recalculated colour temperature at the irradiation spot (along the line Fig. 3a).
Fig. 3. (a) Spatial distribution of thermal radiation intensity at the irradiation spot in selective laser melting. Laser spot size – 100 µm; (b) Spatial profile of recalculated brightness temperature at the irradiation spot.
The custom made F-teta lenses at SLM machines scan head usually are not achromatic. This causes image shift in coaxial set-up sensor positioning systems and errors in measurements by pyrometry. The principles of measurements was devised and special optical scheme was designed [2,5] to minimize image shift.
Measurements are carried out at wavelengths close to laser wavelenght which are prominent using a gradient type dichroic mirrors and filters.
Maximum surface temperature is calculated based on measurements of two wavelengths pyrometer with time resolution 50 µs and spatial resolution 50 µm and its values are used for express control of manufacturing quality.
Fig. 4. Scheme of temperature measurements (a): 1 – laser, 2 – gradient mirror, 3 – scan head, 4 – lens, 6 – F-teta lens, 5 – powder bed, 7 – dichroic mirror, 8 – diaphragm, 9 – fiber, 10 – pyrometer, 11 – filter, 12 – lens, 13 – CCD. Temperature control of Inox steel melting (b): Laser = 1075 nm, pyrometer = 1140 nm.
3. Investigations of the selective laser melting of 3D object Direct temperature measurements during the selective laser melting process of the 3D object (Fig. 5a ) from steel 316 L powder have been conducted. In these experiment, a layers of 50 µm thickness of 20 µm powder in diameter were deposited using a usual powder feeding system on the steel surface. All layers were then laser 100 mm/s. All layers were scanned doubly with scan shift 120 µm. Temperature measurements during all process showed that brightness temperature in the focal spot 100 µm in diameter did not exceed 1800-1900 К (Fig. 5), significantly below the theoretically predicted [6]. This is probably due to the inaccurate description of the powder consolidation kinetics with the resulting the low dynamic thermal conductivity. Maximum brightness temperature at first and second scan differ little in value (Fig. 7f). Distinction is observed in width of spatial temperature distribution – 300 µm at first scan, 200 µm at second one, that is a result of the heat removal.
Fig. 5. 3D object selective melting: (e) – 3D object, (f) – Maximum melt temperature in focal spot: – first scan, – second scan. 316 L steel powder.
References:
1. Chivel Yu., Smurov I., Laget B. System for monitoring laser technological processes. // Patent № 2371704, (2009), EP2147738 (2011).
2. Chivel Yu. Method and device for measuring the surface brightness and colour temperature in the area of the laser irradiation. // Patent Application. – № 2010107443, (2010), Patent decision 05.03.2012.
3. Chivel Yu., Smurov I. On-line temperature monitoring in selective laser sintering/melting. // Physics Procedia. – 2010. – № 5. – P. 515- 521.
4. Craeghs T., Bechmann F., Berumen S., Kruth J.-P. Feedback control of layerwise laser melting. // Physics Procedia. – 2010. – № 5. – P. 505-514.
5. Chivel Yu., Smurov I. Temperature monitoring and overhang layer problem.
// Physics Procedia. – 2011. – 12(1). –P. 691-696.
6. Gusarov A.,Yadroitsev I.,Bertrand Ph.,Smurov I. Model of radiation and heat transfer in laser-powder interaction zone at selective laser melting. // J. Heat Transfer, 131, 072101. – 2009.
SCIENTIFIC AND EDUCATIONAL CENTER «LASER SYSTEMS,
NANOTECHNOLOGIES AND DIAGNOSTICS METHODS» –
WAY OF INTEGRATION OF A SCIENCE, EDUCATION AND PRODUCTION
Ryazan State University named for S. Esenin, 2Company «Sinergiya», Abstract: The structure, tasks and results of scientific activity of the scientific and educational center «Mera» are presented in this work. The structure of the scientific and educational center includes the Ryazan State University and a number of the small enterprises which activity is directed on creation of technologies of receiving pure materials, development of control units of technology of oil refining, production of quadrupole mass spectrometers, creation of measuring devices on the basis of gas lasers, and also laser video and demonstration systems.Tasks of the scientific and educational center Into structure of the scientific and educational center enter: RSU named for S. Esenin, physics and chemistry chair; the enterprises of analytical instrumentation «Shibbolet» and «Enigma», «MAKN and T», «Sinergiya» and «LazerVaryRakurs», located in the city of Ryazan.
Tasks of the scientific and educational center are included:
1) joint activity of divisions of university and the industrial enterprises of Ryazan in the field of nano and laser technologies and diagnostics providing sharing of available at university and at the enterprises of unique scientific, educational and processing equipment;
2) carrying out and introduction of results with involvement of students and graduate students of researches on the fundamental and applied directions;
3) preparation of engineering and technological shots (bachelors, masters, graduate students) for the enterprises participating in work of the Center, and other enterprises of the Ryazan region for the directions «Technical physics», «Physical electronics», «Laser physics», «Technological, physical and chemical education»;
4) creation of the educational environment for professional orientation work on the base of educational institutions of the city area and training of teachers of profile classes on equipment operation, problems and methods of the description and research of laser and nanodimensional objects;
5) creation of system of multilevel continuous preparation, retraining and professional development of shots for development laser, nano- and chemical technologies in the Ryazan region;
6) consolidation of financial possibilities of carrying out joint development, acquisitions of the equipment and necessary materials for maintenance of working capacity and development of functionality of the equipment, available participants of the Center.
Scientific directions technologies of receiving pure materials for a nanoelectronics;
analytical instrumentation on the basis of quadrupole mass spectrometers;
physical processes in heterostructures;
contactless laser methods and devices, monitoring of parameters of various products and technologies;
environments;
sensors for fuel and energy complex;
manufacturing techniques and improvement of parameters of gasdischarge lasers;
creation and use in a dissymmetric catalysis of chiral phosphorus contained ligands.
Results of activity of the scientific and educational center «Mera»
For oil and gas industry some polytypic devices are developed and successfully introduced in production: remote control on big spaces of flame concentration of hydro carbonic gases with use of the infra-red laser radiation which does not have analogs in the Russian Federation and abroad – DID-MT 1.000Ех; control a finish of a flame of a torch – SPF 1.001; control of a consumption of gas in the pipeline and on technological installations – SURG 1.000-Ekh having permission of state technical supervision on manufacturing and application.
Fig. 1. а) – route infra-red detector, b) – mass gas flow meter.
For high-sensitivity control and measurement of a chemical composition of gas mixes, liquids, firm bodies in petrochemical, nuclear, metallurgical, microelectronic, oil and gas geophysics, criminalistics, ecology, medicine it is created, the quadrupole mass spectrometer of KMS – 01/250, brought in the state register of measurements is successfully issued and used. View of the mass spectrometer of KMS – 01/250 is shown on Fig. 2a.
Fig. 2. Quadrupole mass spectrometer КМS-250.
Mass spectrum of a residial gas at preassure 5·10-4 Pa.
For continuous monitoring of deformation of walls, buildings, roofs, platforms, tunnels, bridges, roads, metal designs under the influence of various loadings it is developed and successfully the laser basic and measuring system «Gorizont» shown on Fig. 3а is developed and issued.
Fig. 3. a) – laser system «Gorizont», b) – laser system «Pilot».
For determination of the geometrical sizes of moving objects are developed and are issued a number of laser Pilot scanners (Fig. 3b). In particular for determination of length, thickness, width of moving sheets on drawing installations, the sizes and a profile of a railway wheel and springs, the sizes and quality of laser welding it may be used.
Intensive development of solar power defined the direction of activity of MAKNIT having a big scientific experience in creation and production of especially pure materials for micro, nano- and optoelectronics. Now the enterprise is engaged in development of technology of receiving silicon and photo-electric converters for needs of solar power. The technological line on production of the cheapest metallurgical silicon on level of solar quality is created. The photo-electric converter of solar energy of a new design that allows to lower a consumption of silicon in 10-20 times is created and on prime cost of photo electronic converter to leave lower 0,5 dollars/W.
The following methods of purification of silicon and other materials are protected by patents: (i) electrotransfer; (ii) electrotransfer in a magnetic field; (iii) crystallization from a suspension; (iv) purification of liquid metal by processing by ions in the gas discharge; (v) cleaning by means of properties of nanoobjects.
LazerVaryRakurs The enterprise is one of the leading firms of Russia on development and service of laser systems of visualization of images and laser shows.
Conclusion Created scientific and educational center «Mera» allows to carry out preparation of bachelors, masters and graduate students in «Technical physics», «Physical electronics», «Laser physics» on the basis of the presented enterprises having a high technological level of production of the knowledge-intensive products.
Reference:
1. Scientific and educational center «Mera», [email protected] НАУЧНО-ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ ЦЕНТР
«ЛАЗЕРНЫЕ СИСТЕМЫ, НАНОТЕХНОЛОГИИ И
МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ» –
ПУТЬ ИНТЕГРАЦИИ НАУКИ, ОБРАЗОВАНИЯ И ПРОИЗВОДСТВА
Рязанский государственный университет имени С.А. Есенина, «Синергия», 3«Шибболет», 4«МКНТ», 5«Лазервариракурс»Аннотация: В работе представлены структура, задачи и результаты научной деятельности научно-образовательного центра «Мера». В состав научно-образовательного центра входит Рязанский государственный университет и ряд малых предприятий, деятельность которых направлена на создание технологий получения сверхчистых материалов, разработку устройств контроля технологии переработки нефти, производства квадрупольных массспектрометров, создание измерительных устройств на базе газовых лазеров, а также лазерных видео-демонстрационных систем.
Задачи научно-образовательного центра В состав научно-образовательного центра (консорциума) входят: РГУ имени приборостроения ООО «Шибболет» и ЗАО «Энигма», ООО «Международная академическая корпорация науки и техники», научно-производственное предприятие ООО «Синергия» и ЗАО «Лазервариоракурс», расположенные в городе Рязань.
В задачи научно-образовательного центра входят:
промышленных предприятий Рязани в области нано и лазерных технологий и диагностики, обеспечивающей совместное использование имеющегося в технологического оборудования;
2) проведение и внедрение результатов с привлечением студентов и аспирантов исследований по фундаментальным и прикладным направлениям;
3) подготовка инженерно-технологических кадров (бакалавров, магистров, аспирантов) для предприятий, участвующих в работе Центра, и других предприятий Рязанского региона по направлениям «Техническая физика», «Физическая электроника», «Лазерная физика», «Технологическое, физическое и химическое образование»;
4) создание учебной среды для профориентационной работы в базовых общеобразовательных учреждениях города и области и обучения учителей профильных классов по эксплуатации оборудования, проблемам и методам описания и исследования лазерных и наноразмерных объектов;
5) создание системы многоуровневой непрерывной подготовки, переподготовки и повышения квалификации кадров для развития лазерных, нано- и химических технологий в Рязанском регионе;
6) консолидация финансовых возможностей проведения совместных разработок, приобретения оборудования и необходимых материалов для поддержания работоспособности и развития функциональных возможностей оборудования, имеющегося в распоряжении участников Центра.
Научные направления технологии получения чистых материалов для наноэлектроники;
аналитическое приборостроение на основе квадрупольных массспектрометров;
физические процессы в гетероструктурах;
параметров различных изделий и технологий;
распространение и управление лазерным излучением в рассеивающих средах;
чувствительные датчики для топливно-энергетического комплекса;
технологии изготовления и совершенствования параметров газоразрядных лазеров;
комплексное образование и использование в ассиметричном катализе хиральных фосфорсодержащих лигандов.
Создание научно-образовательного центра (консорциума) «Мера»
является вынужденной мерой для участия в конкурсах на проведение научноисследовательских работ и подготовку кадров высшей квалификации, проводимых Минобрнауки и Минэкономики России.
Результаты деятельности научно-образовательного центра OOO «Шибболет»
Для нефтегазовой отрасли разработаны и успешно внедрены в производство несколько разнотипных приборов: дистанционного контроля на больших пространствах довзрывчатых концентраций углеводородных газов с использованием инфракрасного лазерного излучения, не имеющего аналогов в РФ и за рубежом – ДИД-МТ 1.000Ех; контроля погасания пламени факела – СПФ 1.001; контроля расхода газа в трубопроводе и на технологических установках – СУРГ 1.000-Ех, имеющих разрешение гостехнадзора на изготовление и применение.
Рис. 1. а) – трассовый инфракрасный детектор, b) – расходомер газа массовый.
Для высокочувствительного контроля и измерения химического состава газовых смесей, жидкостей, твердых тел в нефтехимической, атомной, металлургической, микроэлектронной, нефтегазовой геофизике, криминалистике, экологии, медицине создан, успешно выпускается и используется квадрупольный масс-спектрометр КМС – 01/250, внесенный в государственный реестр измерений. Внешний вид масс-спектрометра КМС – 01/250 показан на рис. 2.
Рис. 2. Квадрупольный масс-спектрометр КМС-250. Масс-спектр вакуума ООО «Синергия»
Для непрерывного мониторинга деформации стен, зданий, крыш, эстакад, туннелей, мостов, дорог, металлических конструкций под воздействием различных нагрузок разработана и успешно выпускается лазерная опорная и измерительная система «Горизонт», показанная на рис. 3а.
Рис. 3. a) – лазерная система «Горизонт», b) – лазерная система «Пилот».
Для определения геометрических размеров движущихся объектов разработаны и выпускаются ряд лазерных сканеров «Пилот» (рис. 3b).
В частности для определения длины, толщины, ширины движущихся листов на конвеерах, волочильных установках, размеров и профиля железнодорожного колеса и пружин, размеров и качества лазерной сварки.
ООО «МАКНиТ»
Интенсивное развитие солнечной энергетики определило направление деятельности ООО «МАКНиТ», имеющего большой научный задел в создании и производстве особо чистых материалов для микро-, нано- и оптоэлектроники.
В настоящее время предприятие занимается разработкой технологии получения кремния и фотоэлектрических преобразователей для нужд солнечной энергетики. Создана технологическая линия по производству наиболее дешевого металлургического кремния по уровню солнечного качества. Создан фотоэлектрический преобразователь солнечной энергии новой конструкции, что позволяет снизить расход кремния в 10-20 раз и выйти на себестоимость ФЭП ниже 0,5 долл/вт.
Защищены патентами следующие методы очистки кремния и других материалов: электроперенос, электроперенос в магнитном поле; кристаллизация из взвешенного состояния; очистка жидкого металла обработкой ионами в газовом разряде; очистка с помощью свойств нанообъектов.
ЗАО «Лазервариракурс»
Предприятие является одним из ведущих организаций России по разработке и обслуживанию лазерных систем визуализации изображений и лазерных шоу.
Заключение Созданный научно-образовательный центра «Мера» позволяет осуществить подготовку бакалавров, магистров и аспирантов по специальности «Техническая физика», «Физичская электроника», «Лазерная физика» на основе представленных предприятий, имеющих высокий технологический уровень производства наукоемких изделий.
Литература 1. Научно-образовательный центр «Мера», [email protected]
ACOUSTO-OPTICAL INTERACTIONS IN GYROTROPIC CRYSTALS
A.F.Ioffe Physico-Technical Institute, Russian Academy of Sciences, Conditions of acousto-optical interactions in the gyrotropic crystals are considered. Optimum length of acousto-optical interactions and efficiency of diffraction in gyrotropic direction of crystals are calculated. The method of the connected waves for calculation of acousto-optical interactions efficiency was used.This method allows calculating as fields in a gyrotropic crystal cooperate [1,2]. It is theoretically shown and experimentally confirmed, that at performance of a condition, efficiency of diffraction does not depend neither on an azimuth of polarization, nor from ellipticity optical radiation and it is given by expression – specific rotation of a plane of polarization, 0 – optical wavelength, В – Bragg diffraction angle, no – refractive index, S – amplitude of deformation in a sound wave, peff – effective photoelastic constant.
It means, that efficiency of diffraction in a gyrotropic direction when the plane of polarization of radiation on length of interaction l turns on 45 degrees does not depend on a condition of polarization of incident optical radiation.
References:
1. Fedorov F.I. Theory of Chirotropy. – Minsk: Science and technics, 1976.
2. Landau L.D., Lifshits E.M. Elektrodinamika sploshnykh sred. – M., 1982.
АКУСТООПТИЧЕСКОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ
В КРИСТАЛЛАХ С ГИРОТРОПИЕЙ
Физико-технический институт им. А.Ф.Иоффе, Санкт-Петербург кристаллах, обладающих гиротропией. Произведен расчет оптимальной длины акустооптического взаимодействия и эффективности дифракции в гиротропном направлении. Для расчета эффективности дифракции использовался метод связанных волн, который позволяет рассчитать, как взаимодействуют поля в гиротропном кристалле [1,2].Теоретически показано и экспериментально подтверждено, что при выполнении условия, l / 4 эффективность дифракции не зависит ни от азимута поляризации, ни от эллиптичности падающего излучения и дается выражением – удельное вращение плоскости поляризации, 0 – длина волны оптического излучения, В – угол брегговской дифракции, n0 – показатель преломления, S – амплитуда деформации в звуковой волне, рэфф – эффективная фотоупругая постоянная.
Это означает, что эффективность дифракции в гиротропном направлении, когда плоскость поляризации излучения на длине взаимодействия поворачивается на 45 градусов и не зависит от состояния поляризации падающего излучения.
1. Федоров Ф.И. Теория гиротропии. – Минск: Наука и техника, 1976.
2. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Электродинамика сплошных сред. – М.:
Гостехиздат,1957.
SUBWAVE LIGHT BEAMS
Faculty of Physics, Lomonosov Moscow State University, Moscow, Russia The paraxial approximation [1] within which the nonlinear Schroedinger equation is derived, cannot be used to analyze the propagation of laser beams with a width comparable with the wavelength in a nonlinear medium. These beams have a longitudinal component of the light field [2-4], and a correct analysis implies the use of the vector Maxwell equations.Earlier in [5] the boundaries of applicability of the paraxial approximation for description of narrow wave beams in a cubic-nonlinear medium with a periodic modulation of refractive index were found.
In this study the propagation of narrow three-dimensional wave beams in a nonlinear cubic medium has been analyzed taking into account all vector components of the wave field, including radial, angular, and longitudinal ones.
Soliton solutions of the Maxwell equations in the form of fundamental solitons as well as vortex solitons with topological charge are found, and their properties are investigated.
The initial system is the set of Maxwell equations, supplemented with the material equation for an isotropic medium with a Kerr-type nonlinearity:
where 0 describes isotropic-medium permittivity and nl is a nonlinear part of permittivity.
We obtain the system of equations for components of the electric field E Ae it in the cylindrical system of coordinates from (1):
where Ar, A and Az are radial, angular, and longitudinal components of the electric field respectively, nl 2 ( Ar A Az ), 2 is a nonlinear coefficient.
The set of equations (2) in pure form was solved numerically by the relaxation method. Solutions has been searched in form of solitons:
where qr, q and q z are nondimentional field components, r / r0, z / kr02 are nondimentional coordinates, wr,, z – real functions, which describe the transverse light field distributions, /( k0 r0 ) is the nonparaxiality parameter, which characterizes the ratio of the wavelength and the characteristic width r0, b, is the propagation constant, which characterizes the nonlinear phase delay in the medium, m is the soliton topological charge.
The characteristic profiles of fundamental (m = 0) nonparaxial solitons are shown in Fig. 1(а)-1(c). Radial field component has strongly pronounced gap at the axis of the beam on the contrary to the profiles of the fundamental solitons, which can be calculated using the nonlinear Schroedinger equation, which are smooth and bell-shaped [6]. This gap is the result of a polarization singularity on the beam axis.
This singularity is inevitable because of the uncertainty in the vector field polarization on the beam axis [7].
An increase in the propagation constant corresponds to the increase of the beam power. An increase in power leads to a decrease in the integral soliton width (Fig. 2a,b). With the narrowing of the beam the longitudinal field component and its relative contribution to the beam power are growing (Fig. 2c).
The profiles of nonparaxial vortex solitons with a topological charge m = 1 are shown in Fig. 1(d)-1(f). The essential difference in comparison with fundamental solitons is that vortex solitons have the angular field component, which is not negligible in comparison with the radial one. In opposite to fundamental solitons the longitudinal field component is moderate and its contribution to the beam power is insignificant (Fig. 2d).
At the same power vortex solitons have bigger integral width, than fundamental ones (for example, fundamental soliton from Fig. 1(а) has power U = 1,15, width W = 2,25, and vortex soliton from Fig. 1(d) has U = 1,11, W = 7,42).
Fig. 1. Profiles of nonparaxial fundamental solitons at b 0,0004 (a), 0, (b), and 0,0101 (c), and vortex solitons with m = 1 at b 0,0003 (d), 0,0052 (e), and 0,0082 (f). Radial component wr is shown with solid line, angular w – with dashed line and longitudinal, wz – with dotted line. Nonparaxiality parameter 0,1.
Fig. 2. Soliton power as function of the propagation constant (a), the inverse integral soliton width as function of its power (b): dependencies for fundamental solitons are shown with solid line, for vortex solitons (m = 1) – with dashed line.
Relations of power of each field component to full power as function of power of fundamental soliton (c), vortex (m = 1) soliton (d): solid line for radial component, dashed line for angular and dotted line for longitudinal ones.
References:
1. Akhmediev N.N., Ankiewicz A. Solitons: Nonlinear Pulses and Beams. – London: Chapman & Hall, 1997.
2. Granot E. et al. // Opt. Lett. 22, 1290 (1997).
3. Rosanov N.N., Semenov V.E., Vyssotina N.V. // J. Opt. B: Quantum and Semiclassical Optics. – 2001. – № 3. – P. 96.
4. Ciattoni A. et al. // Opt. Lett. 27, 734 (2002).
5. Aleshkevich V.A., Grigor’ev A.V., Zhukarev A.S., Kartashov Ya.V.
Subwavelength Spatial Solitons in Inhomogeneous Kerr Media. // JETP. – 2008. – 107(1), 155.
6. Desyatnikov A.S., Kivshar Yu.S. // J. Opt. B: Quantum Semiclass. Opt. 4, (2002).
7. Freund I. // Opt. Lett. 29(6), 539 (2004).
СУБВОЛНОВЫЕ СВЕТОВЫЕ ПУЧКИ
Физический факультет, Московский государственный университет, Для анализа распространения в нелинейной среде лазерных пучков, ширина которых сравнима с длиной волны, параксиальное приближение [1], позволяющее вывести скалярное нелинейное уравнение Шредингера (НУШ), компонента светового поля [2-4] и корректный анализ необходимо проводить с использованием векторных уравнений Максвелла.Ранее в [5] были установлены границы применимости параксиального приближения для узких волновых пучков в кубично-нелинейной среде с периодической модуляцией показателя преломления.
В настоящей работе проведен анализ распространения узких трехмерных волновых пучков в нелинейной кубичной среде с учетом всех векторных компонент волнового поля, включая радиальную, угловую и продольную компоненты.
фундаментальных солитонов, а также вихревых солитонов с топологическим зарядом, проанализированы их свойства.
керровского типа:
где 0 – диэлектрическая проницаемость изотропной среды, а nl – нелинейная добавка.
Из (1) можно получить систему уравнений для компонент электрического поля E A eit в цилиндрической системе координат:
где Ar, A и Az – радиальная, угловая и продольная компоненты нелинейный коэффициент.
Система (2) в безразмерном виде численно решалась с помощью метода релаксации. Решения искались в виде солитонов:
где qr, q и qz – безразмерные компоненты поля, r / r0, z / kr0 2 – безразмерные координаты, wr,, z – действительные функции, описывающие поперечные распределения компонент светового поля, 1 / ( k0 r0 ) – параметр непараксиальности, который характеризует соотношение длины волны и характерной ширины r0, b – постоянная распространения, характеризующая нелинейный фазовый набег в среде, m – топологический заряд солитона.
Характерные профили фундаментальных ( m = 0) непараксиальных солитонов представлены на рис. 1(а)-1(c). Радиальная компонента имеет ярко выраженный провал на оси пучка, что противоположно результатам для фундаментальных солитонов, получаемых с помощью нелинейного уравнения Шредингера, профили последних являются гладкими и колоколообразными [6].
Подобный провал является результатом поляризационной сингулярности на оси пучка. Эта сингулярность неизбежна вследствие неопределенности поляризации векторного поля на оси пучка [7].
Увеличение постоянной распространения соответствует росту мощности пучка. С ростом мощности происходит уменьшение ширины солитона (рис.2 a,b). По мере сужения солитона растет продольная компонента и увеличивается ее относительный вклад в мощность пучка (рис. 2c).
Профили вихревых непараксиальных солитонов с топологическим зарядом m = 1 даны на рис 1(d)-1(f). Существенное отличие от фундаментальных солитонов заключается в наличии угловой компоненты поля, которая не является пренебрежимо малой в сравнении с радиальной. В отличие от фундаментальных солитонов продольная компонента невелика и ее вклад в полную мощность пучка незначителен (рис. 2d).
При одной и той же мощности вихревые солитоны имеют большую интегральную ширину, чем фундаментальные (например, у фундаментального солитона с панели (а) рис. 1. мощность U = 1,15, ширина W = 2,25, а у вихревого солитона с панели (d) рис. 1. U = 1,11, W = 7,42).
Рис. 1. Профили непараксиальных фундаментальных солитонов при b 0,0004 (a), 0,0037 (b), и 0,0101 (c), и вихревых солитонов (m = 1) при b 0,0003 (d), 0,0052 (e), и 0,0082 (f). Радиальная компонента wr изображена сплошной линией, угловая w – штриховой, а продольная wz – пунктирной.
Рис. 2. Мощность солитона как функция постоянной распространения (a), обратная ширина солитона как функция его мощности (b): зависимости для фундаментальных солитонов изображены сплошной линией, для вихревых (m = 1) – штриховой. Отношение мощности каждой компоненты поля к полной мощности как функция мощности фундаментального солитона (с), вихревого (m = 1) солитона (d): сплошная линия для радиальной компоненты, штриховая – Литература:
1. Akhmediev N.N., Ankiewicz A. Solitons: Nonlinear Pulses and Beams. – London: Chapman & Hall, 1997.
2. Granot E. et al. // Opt. Lett. 22, 1290 (1997).
3. Rosanov N.N., Semenov V.E., Vyssotina N.V. // J. Opt. B: Quantum and Semiclassical Optics. – 2001. – № 3. –P. 96.
4. Ciattoni A. et al., Opt. Lett. 27, 734 (2002).
5. Aleshkevich V.A., Grigor’ev A.V., Zhukarev A.S., Kartashov Ya.V.
Subwavelength Spatial Solitons in Inhomogeneous Kerr Media. // JETP. – 107(1), 155 (2008).
6. Desyatnikov A.S., Kivshar Yu.S. // J. Opt. B: Quantum Semiclass. Opt. 4, (2002).
7. Freund I. // Opt. Lett. 29(6), 539 (2004).
UNCEASING GENERATION OF TWO WAVE LINE 1064,15 AND 1061,5 NM НЕПРЕРЫВНАЯ ГЕНЕРАЦИЯ ДВУХ ДЛИН ВОЛН 1064,15 И 1061,5 НМ Ryazan State University named for S. Esenin, Ryazan Рязанский государственный университет имени С.А. Есенина, Рязань In article authors research a reason of unceasing generation of two wave lines 1064.15 and 1061.5 nm in Nd:YAG-laser with diode laser pumping.
Авторами установлен режим генерации Nd3+:YAG-лазером при котором возможна одновременная генерация на двух длинах волн 1064,15 нм и 1061,5 нм.
Для эксперимента использовались активные элементы, вырезанные из монокристалла Y3Al5О12:Nd3+ вдоль кристалло-графической оси (001) с концентрацией активных ионов Nd3+ 1 ат. % в виде цилиндра диаметром 4 мм длиной 10 мм. На входной торец активного элемента было нанесено селективное зеркало с высоким коэффициентом отражения (более 99 %) на длине волны 1064 нм и высокой прозрачностью на длине волны 808 нм, а выходной торец активного элемента просветлен. Линейный резонатор лазера длиной 30 мм создавался селективным зеркалом, нанесенным на торец с коэффициентом отражения 84 % на длине волны 1064 нм. Генерация осуществлялась на основной поперечной моде ТМ00. Линейно поляризованное излучение трех лазерных диодов (808 нм) суммарной мощностью 8 Вт фокусировалось на торец активного элемента зоной накачки 0,50,5 мм2.
Ориентация поляризации лазерной генерации задавалась положением внутрирезонаторного окна Брюстера. Исследовалась возможность и условия одновременной генерации двух длин волн 1064,15 нм и 1061,5 нм Nd3+:YAGлазера с окном Брюстера при комнатной температуре.
В результате экспериментов установлено, что одновременная генерация на двух длинах волн 1064,15 нм и 1061,5 нм Nd3+:YAG-лазера возможна в случае, когда плоскость поляризации накачки ортогональна поляризации генерации, задаваемой ориентацией окна Брюстера.
В результате экспериментов было установлено, что зона устойчивой генерации двух длин волн коррелирует с термооптической характеристикой Q двулучепреломления. Это указывает на связь генерации двух длин волн с двулучепреломлением в кристалле Nd3+:YAG.
«