Введение к работе
Объект исследования и актуальпость темы. Теория электромагнетизма, обобщенная Максвеллом, в совокупности с квантовой теорией строения атомов и молекул определяет прогресс и наше современное понимание оптики и развитие такого важного практического приложения как лазерная физика [1-4]. Квантовые эффекты особенно важны, когда частота электромагнитного поля настроена вблизи резонанса с атомным переходом или вращательным или колебательным переходом в молекуле. Даже в том случае, когда поле отстроено далеко от резонанса, и во многих случаях адекватно представление об атомах или молекулах как о простых классических линейных или нелинейных осцилляторах, тем не менее мы подразумеваем, что в основе этого упрощенного описания лежит микроскопическая теория квантованных уровней. Именно квантовая теория атомов и молекул во многом определила успех развития лазерной физики, и именно она используется в качестве основного инструмента при моделировании процессов генерации когерентных импульсов света в поглощающих и усиливающих резонансных средах [5-8]. С другой стороны, для описания подавляющего большинства экспериментальных ситуаций нет необходимости использовать квантовую теорию света и можно ограничиться классическим пределом электромагнитной волны. Такое сочетание квантового описания среды и классического описания света является каноническим подходом в оптике и лазерной физике и получило название полуклассической теории. Этому походу мы следуем во всех пяти главах настоящей диссертационной работы и докладываем о новых методах генерации оптических импульсов в средах, проявляющих когерентный отклик на приложенное поле.
Практически во всех предлагаемых моделях генерации, кроме модели суперфлюоресценции в когерентной трехуровневой среде и синхронизации мод с трехуровневым поглотителем, используются солитонные эффекты, а именно
%\
рассматриваются солитоны самоиндуцированной прозрачности и солитоны нелинейного уравнения Шредингера [4]. Этот предпочтительный выбор обязан роли солитонов в развитии высокоскоростных телекоммуникаций.
Целп п задачи работы. Целью диссертационной работы является разработка новых методов генерации ультракоротких импульсов света с заданными свойствами.
В соответствии с этой целью были поставлены и решены следующие задачи:
Разработка аналитических и численных методов описания импульсного комбинационного (рамановского) рассеяния в трехуровневой среде с V-конфигурацией уровней. Применение этих методов для исследования эффективности комбинационного рассеяния при возбуждении среды 2%-солитоном самоиндуцированной прозрачности (СИП), а также солитонами высшего порядка. Исследование эффективности комбинационного усиления слабого пробного импульса в среде с неоднородным уширением уровней и в частности в плазме положительного столба тлеющего разряда в неоне.
Разработка аналитических и численных методов описания эффекта суперфлюоресценции (СФ) в трехуровневой среде с V-конфигурацией уровней, накачиваемых сильным когерентным полем на одном из переходов. Применение этих методов к исследованию эффективности генерации импульсов СФ и нахождению зависимости параметров импульса от условий возбуждения.
Разработка аналитических и численных методов описания
взаимодействия—пробного—импульса—с—трехуровневой—средой—У--
конфигурации, накачиваемой сильным когерентным лазерным полем. Применение этих методов к исследованию обнаруженного двухфотонного эффекта СИП и к модели акгивной синхронизации мод с трехуровневым когерентным усилителем.
Разработка аналитических и численных методов описания взаимодействия короткого импульса излучения с двухуровневыми когерентными поглотителем и усилителем. Применение этих методов к созданию модели солитонного лазера на основе эффекта СИП. Исследование устойчивости солитонного режима генерации и переходной динамики к стационарному режиму, стартуя из затравочного импульса малой амплитуды.
Разработка аналитических методов описания твердотельного лазера с когерентным неодиородпоуширенным поглотителем. Применение этих методов к созданию твердотельного солитонного лазера на основе эффекта СИП и исследование устойчивости солитонного режима генерации.
Научная попита работы и положения, выносимые на защиту.
Предложена аналитическая и численная модель резонансного комбинационного усиления ультракоротких импульсов света в среде с V-конфигурацией уровней, накачиваемой фундаментальным солитоном СИП или солитонами высшего порядка на смежном переходе. Показано, что возможна 100%-ая конверсия энергии солитона накачки в пробный импульс, который асимптотически преобразуется в солитон СИП. Обнаружен эффект "захвата" пробного импульса, выражающийся в том, что пробный импульс захватывается импульсом накачки, так что оба импульса распространяются с одинаковыми групповыми скоростями.
Продемонстрировано, что двухфотонный эффект Допплера и релаксация фазовой памяти среды делают процесс комбинационного усиления пороговым: ниже порога происходит поглощение пробного поля, выше порога - его усиление. В условиях двухфотонного резонанса и присутствии однофотонного эффекта Допплера захват импульса сопровождается инициированием эффекта солитонно-индуцированной
прозрачности. Механизм прозрачности объясняется фазировкой атомных диполей в поле накачки в форме солитона СИП.
Разработаны аналитические и численные методы описания эффекта СФ в трехуровневой среде с V-конфигурацией уровней, накачиваемых сильным квазимонохроматическим когерентным полем на одном из переходов. Показана возможность генерации ультракоротких импульсов СФ в условиях комбинационного усиления. В среднем, то есть после усреднения по периоду Раби осцилляции, процесс характеризуется как СФ без инверсии населенностей.
Разработаны аналитические и численные методы описания взаимодействия пробного импульса с трехуровневой средой V-конфигурации, накачиваемой сильным когерентным лазерным импульсом. Обнаружен двухфотонный эффект СИП.
Развита модель лазера с активной синхронизацией мод с трехуровневым когерентным усилителем. Отличительной особенностью такого лазера является генерация импульсов, характеризующихся спектром шире линии усиления двухуровневого перехода в отсутствии накачки. Продемонстрированы режимы генерации без инверсии, с инверсией и режим рамановской генерации.
Разработаны аналитические и численные методы описания взаимодействия короткого импульса излучения одновременно с двухуровневыми когерентными поглотителем и усилителем. Создана модель солитошюго лазера на основе эффекта СИП. Исследована устойчивость солитонного режима генерации и переходная динамика к
стационарному_содитонному_режиму^_&тартуя_из_затравочного импульса
малой амплитуды. Солитонный режим характеризуется генерацией импульсов тире линии усиления.
7. Разработаны аналитические методы описания твердотельного лазера с
когерентным неоднородно-уширенным поглотителем. Создана модель
твердотельного солитонного лазера на основе эффекта СИП и
исследована устойчивость солитонного режима генерации. Продемонстрирована неустойчивость солитонов СИП по отношению к фазовой самомодуляции, наведенной эффектом Ксрра в волоконных световодах. Обнаружено, что выше определенного порога кубичной нелинейности, образование уединенных волн невозможно. Также продемонстрирована неустойчивость внутрирезонаторных солитонов СИП по отношению к возникновению непрерывного режима генерации за счет выжигания спектральных дыр в неоднородно-уширенном контуре поглощения.
Практическая ценность. Полученные в работе результаты могут быть использованы для создания новых лазерных устройств с улучшенными динамическими характеристиками, в частности, новых солитонных лазеров, высокоэффективных комбинационных усилителей и лазеров без инверсии. Эти лазеры оперируют в малоизученных режимах генерации импульсов со спектрами шире полосы усиления, и тем самым открывают новый диапазон в сторону укорочения длительностей. Режимы комбинационного усиления и генерации без иішерсии могут применяться в тех областях длин волн, в которых создание инверсии населенностей затруднительно или невозможно.
Апробация работы. Полученные в работе результаты были представлены автором на следующих конференциях и семинарах:
Seventh Rochester Conference on Coherence & Quantum Optics, Rochester, New York, U.S.A., June 07-10, 1995.
IX International Symposium on Ultrashort Processes in Spectroscopy (UPS'95), Trieste, Italy, October 30 - November 3, 1995.
28th Winter Colloquium on the Physics of Quantum Electronics, Snowbird, Utah, U.S.A., January 4-7,1998.
International Quantum Electronics Conference (IQEC-98), San Francisco, California, U.S.A., May 3-8, 1998.
5. XVI Международная Конференция по Когерентной и Нелинейной
Оптике (КиНО-98), Москва, Россия, 29 июня - 3 июля, 1998.
6. 1998 TAMU/ONR Summer Workshop on Quantum Optics, Jackson Hole,
Wyoming, U.S.A., August 3-6, 1998.
2-nd Annual Cross Border Workshop on Laser Science, Ann Arbor, Michigan, May 18-20,2000.
First International Conference on Laser Optics for Young Scientists (LOYS'2000), St. Petersburg, Russia, June 26-30, 2000.
International Symposium in Laser Physics, Novosibirsk, Russia, July 2-7, 2000.
lO.Kolloquium Schwerpunktprogramm Quanteninformationsverarbeitung,
Huenfeld bei Fulda, Germany, January 17-18, 2001. ll.Deutschen Physikalischen Geselshhschaft Spring Meeting, Berlin, Germany,
April 02-06, 2001. 12.Eighth Rochester Conference on Coherence & Quantum Optics, Rochester,
New York, U.S.A., June 13-16, 2001. 13.XVII Международная Конференция по Когерентной и Нелинейной
Оптике (КиНО-2001), Минск, Беларусь, 26 июня -1 июля, 2001. M.OSANew Laser Scientists Conference (APS), Long Beach, California, U.S.A.,
October 13,2001. 15.0SA Annual Meeting and 17-th Interdisciplinary Laser Science Conference,
Long Beach, California, U.S.A., October 14-18, 2001. 16.Kolloquium des DFG-Schwerpunktprogramms
Quanteninformationsverarbeitung, Bad Honnef, Germany, January 28-30,
2002.
17.Deutschen Physikalischen Geselshhschaft Spring Meeting, Osnabrueck,
Germany, March 04-08, 2002. 18.NATO Advanced Study Institute, Quantum Communication and Information
Technologies, Bilkent University, Ankara, Turkey, June 3-14,2002. 19.Humboldt Symposium, Moscow, Russia, September 27-29, 2002.
20.Soliton Quanteninformation Workshop, Veilbronn, Germany, December 11-
13,2002. 21.Deutschcn Physikalischen Geselshhschaft Spring Meeting, Hannover,
Germany, March 24-28, 2003. 22.XIX Международная Конференция по Когерентной и Нелинейной
Оптике (КиНО-2005), Санкт-Петербург, Россия, май 11-15, 2005. 23.Princeton-TAMU ВЕС Symposium, Princeton, New Jersey, U.S.A., October
14-15,2005. 24.36-th Winter Colloquium on the Physics of Quantum Electronics, Snowbird,
Utah, U.S.A., January 2-6, 2006. 25.Princeton-TAMU Molecular Physics Symposium, Princeton. New Jersey,
U.S.A., May 18-19,2006.
Seminars on Quantum Optics at the Department of Physics of the Texas A&M University.
Seminars on Quantum Optics at the Department of Physics and Astronomy of the University of Rochester, Rochester, U.S.A.
28.Physics Colloquium at the University of Ulm, Ulm, Germany. 29.Семинары квантовой оптики Санкт-Петербургского Педагогического государственного университета им. Герцена.
Публикации ц личный вклад. По теме диссертации опубликовано 23 научных статей, приведеїшьгх в конце автореферата. В диссертацию включены данные самостоятельных исследований автора, из совместных работ -результаты, полученные при его непосредственном участии или под его научным руководством.
Структура п объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения. Она изложена на 265 страницах, включая 46 рисунков, и список литературы из 167 наименований.
