Использование 2d-детекторов в экспериментах по фотонному эху

Методы фотонного эха и четырехволнового смешения (ЧВС) хорошо зарекомендовали себя при исследованиях процессов оптической дефа-зировки в твердых [1, 2], газообразных [3], жидких [4], а также различных неупорядоченных средах [5,6]. Традиционно в качестве системы регистрации в такого рода экспериментах используются ПЗС-линейки или фотоэлектронные умножители (ФЭУ). Несмотря на многолетнее успешное применение таких систем регистрации, они не лишены недостатков, таких как сложность юстировки, ограниченное поле зрения, большие потери полезного сигнала и др. Часто для получения более детальной информации о динамических процессах проводится изучение зависимости спектральных параметров среды от внешних условий. В таких экспериментах образец должен быть помещен в специальную камеру – оптический криостат или камеру высокого давления, что делает невозможным наблюдение образца невооруженным глазом и значительно затрудняет юстировку. В работе обсуждаются преимущества использования современных скоростных высокочувствительных двухмерных детекторов (ПЗС-камер) как в роли

детекторов сигнала, так и в роли полезных юстировочных инструментов.

СВЕДЕНИЕ НЕКОЛЛИНЕАРНЫХ ЛУЧЕЙ В ЭКСПЕРИМЕНТАХ ТИПА “НАКАЧКА-ЗОНДИРОВАНИЕ”

Сигналы фотонного эха и ЧВС чрезвычайно сильно зависят от точности сведения и фокусировки лучей на образце. В идеальном случае точки фокусировки лучей на образце должны совпадать. Неполное перекрытие лазерных лучей приводит к потере полезного сигнала и увеличению вклада рассеяния. Обычно в экспериментах типа “накачка-зондирование” сведение неколлинеарных лазерных лучей контролируется на глаз или с использованием простейших систем визуализации. Однако в сложных экспериментальных условиях, когда образец помещен в камеру высокого давления или оптический криостат, приведенные выше способы сведения лучей оказываются неприменимыми. Для точного контроля степени перекрытия двух и более лазерных лучей в таких экспериментах может использоваться схема визуализатора, в основе которого лежит эпи-люминесцентный микроскоп, оборудованный в качестве детектора ПЗС-камерой [7, 8]. Координаты центров люминесцентных пятен, соответствующих местам прихода лучей, могут быть восстановлены с большой точностью с помощью аппроксимации изображений двумерными функциями Гаусса (рис. 1 – случай двух лучей). Эффективность данной методики подтверждена спектроскопическими исследованиями по четырехволновому смешению (ЧВС) в полимерной пленке, допированной хромофорными молекулами (рис. 2).

Рис. 1. а – трехмерная визуализация изображений люминесцентных пятен, полученных с помощью эпи-люминесцентного микроскопа при сильном разведении лучей; на вставке 1 – изображение с камеры микроскопа, на вставке 2 – контуры пятен);

б – результат аппроксимации изображений двумерными функциями Гаусса;

на вставке 3 – их контуры (перекрестиями отмечены центры).

Цвета вставок и фоновой подставки инвертированы

Рис. 2. Зависимость интенсивности сигналов ЧВС от расстояния между возбуждающими лучами. На вставке – люминесцентное изображение двух сфокусированных на образце лучей, расстояние между центрами которых равно 72 мкм

РЕГИСТРАЦИЯ СИГНАЛОВ ФОТОННОГО ЭХА С ПОМОЩЬЮ ПЗС-КАМЕРЫ

Фотонное эхо – когерентный нелинейный оптический эффект третьего порядка по поляризации среды, что обуславливает его малую интенсивность по отношению к сигналам накачки. Более того, в реальных экспериментах полезный сигнал часто сопровождается паразитным некогерентным рассеянием. Так как сигналы ФЭ отвечают условиям фазового синхронизма (например, для двухимпульсного фотонного эха они ^-      ^ ^ ^      ^    ^

записываются как к3 = 2к 1 — к2, к4 = 2к2 — к 1, где k1 и k2 – волновые векторы возбуждающих импульсов), возможно методом пространственной фильтрации отделить полезный сигнал от мощного возбуждающего и рассеянного излучения. Для этого в классических экспериментах прибегают к помощи диафрагм, систем оптических волокон и пр. Дополнительно, для усиления слабого сигнала ФЭ зачастую используются электроннооптические преобразователи с микроканальными пластинами. Сложность юстировки таких систем приводит к серьезным трудностям при поиске слабых сигналов ФЭ среди паразитного излучения. Описанных неудобств можно избежать, если ис- пользовать в качестве детектора двумерный приемник (ПЗС-камеру). Широкое поле зрения ПЗС-камеры дает возможность наблюдать на одном экране как паразитное излучение, так и полезные сигналы (сигналы ФЭ, калибровочный сигнал лазера и др.), что позволяет осуществлять пространственную фильтрацию непосредственно на получаемом изображении (рис. 3).

Современные матричные детекторы обладают высокой квантовой эффективностью, низким уровнем шумов и быстродействием, достаточным для широкого круга применений. Так, используемая нами камера Cooke Corporation SensiCam HighSpeed CCD camera с внутренним размноже- нием электронов обеспечивает квантовую эффективность > 40% на длине волны 520 нм, экспозицию от 100 нс до 10 мс, шум считывания – 13-14 электронов и <0,1 темнового отсчета в секунду на пиксель. Такие параметры позволяют надежно регистрировать слабые сигналы фотонного эха. Так, в данной работе были зарегистрированы сигналы ФЭ в полимерной пленке полиизобутилена, допированной хромофорными молекулами тетра-трет-бутилтеррилена, внутри оптического криостата при температуре 5 K (подробнее об экспериментальной установке см. [9, 10, 11]).

Пример кривой спада сигнала фотонного эха, полученной в таком эксперименте, изображен на рис. 4.

Рис. 3. а – трехмерная визуализация сигналов, полученных в эксперименте по ФЭ.

На вставке 1 – изображение с ПЗС-камеры (два верхних пятна соответствуют сигналам ФЭ, нижнее пятно – калибровочному лучу лазера накачки); на вставке 2 – контуры пятен;

б – результат аппроксимации изображений двумерными функциями Гаусса; на вставке 3 – их контуры. Цвета вставок и фоновой подставки инвертированы

Задержка, пс

Рис. 4. Зависимость интенсивности сигнала фотонного эха от времени задержки между возбуждающими импульсами

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе показано, что современные скоростные ПЗС-камеры могут быть успешно использованы для идентификации и детектирования слабых сигналов, в частности, сигналов фотонного эха и четырехволнового смешения. Обладая высокой квантовой эффективностью и низким уровнем шумов, двумерные фотодетекторы существенно облегчают юстировку экспериментальной установки, позволяют легко проводить пространственную фильтрацию сигналов, учет фонового рассеяния и пр. Дополнительные схемы, основанные на матричных детекторах, могут быть полезны при юстировке для увеличения интенсивности полезного сигнала в сложных экспериментальных условиях.