Введение к работе
А5їїаЗьность_29«н. Модуляцая света является одной из актуальных задач квантовой электроники и прикладной оптики. Благодаря модуляция параметров несущего излучения молено передавать информацию на большие расстояния с огромной скоростью или ке записнвать ее с огрониой плотностью. В случае не модуляция параметров лазеров,можно получать сверхкороткие световые импульсы, которые непользувтея для исследования бастропротекакщк процессов в физикз, хиляй я биологии.
Существует два метода модуляции оптического излучения. Первый основан на линейных оптических явлениях а заключается во взаимодействии модулируемого излучения с приложенным внешним модулирувзим сигналом в виде электрического, магнитного или же акустического полей. Модуляторы подобного :ипа хорошо известны и имеет тароков практическое применение, в частности, при создания лазеров с модуляцией добротности п с активной синхронизацией иод, в сканерах п дефлекторах света я т.п. Второй метод основывается на нелинейных оптических . явлениях я связан с процессами взаимодействия модулируемого излучения с другим, модулирующим излучением, или se нелинейный самовоздействием излучения. При этом модуляция параметров излучения обуславливается нелинейность» поляризации среда под действием йоцного проходящего излучения. Причем, если в первой методе, в '' зависимости от величина иодулирукцэго поля (акустического( электрического или магнитного), изменяется только глуоияз модуляцзя, то во втором случае могут изменяться одновременно я другие поранетрн модуляции.
Хотя подобная неоднозначность характеристик модуляции указывает на недостатки метода' натаїоїіпой модуляции излучения, существует ряд его преяяудвств, которнэ более ж компенсируют указанный иедрсток:
- Благодаря наличии, ? настояне "' зрзия, исто шов сверхкоротки* световых икпрльсов, длительность» вплоть до Ю"12 -Ю"1 сек, прч помоин нелинейного метода модуляции «окно достичь частоты модуляция 10^ - Ю13 Гц, . которые невозможно достичь другими методами;
- Безинерционность нелинейного отклика среди вплоть до вышеуказанных временных интервалов во многих перспективних оптических средах (стеклянные волокшие световода, некоторые нелинейные кристаллы и т.п.) позволяет непосредственно осуществлять в них подобную сверхвысокочастотную модуляцию;
Наличие технологи ^создания цельнооптических схем (интегральнооптические, волоконные) различиях логических и других элементов, -работающих, на принципе "управления света светом", позволяет разработать надежные в высокоэффективные системы оптической связи и оптические компьютеры.
Таким образом, преимущества метода нелинейной модуляции излучения в значительной степени связаны со свойствами среды, в которой, происходит процесс модуляции. Выбор среды для модуляции излучения, естественно,определяется требованиями, предъявляемыми к модулятору: для достижения высокой эффективности модуляции требуьгся материалы с высокой нелинейностью, например нелинейные кристаллы, а для ; подавления воздействия внешних возмущений -материалы с низкими КТР, упругооїтическим коэффициентом и т.п.
Одним вэ самых перспективных сред для яелшейной модуляции излучения являются волоконные световоды. Разработанные в начале 70х годов для передачи оптического излучения на дальние расстояния, волоконные световоды на основе стекла рассматривались как типично линейные среды; основными требованиями, предъявляемыми к ним были малне Г I йВ/Km) световые потери и низкие значения дисперсионного уиирения импульсов излучения. Действительно, в таких многомодовах световодах с диаметром сердцевины ~ 50 мкм яри мощностях, несущего информацию, излучения от полупроводникового лазера ~ I мВт, не могли возникать никакие нелинейные эффекты, даже при длинах взаимодействия в сотни метров. С разработкой и использованием в оптических линиях связи одномодовых световодов с диаметром сердцевина в несколько микрон началось изучение возможности возникновения нелинейных процессов в подобных ЛИНИЯХ И связанных с ним искажений в передаче информации.
Ноі с другой ' стороны, с момента появления указанных световодов, особенно одномодовых, имеется чисто научный интерес к изучению нелинейных явлений в подобной уникальной среде. Последнее обстоятельство' связано со следующими свойствами одномодовых
- ь -
световодов:
- Крайне «алое поперечное сечение и огромные длины световодов
существенно повниаюг эффективность протекания в них нелинейных
процессов;
- Возможность поддержания (сохранения) фазы в поляризации излучения в одномодовах световоде* позволяет наблюдать в них когерентные процессы;
Жестко заданная профиль излучения внутра одномодового световода (близкая к Гауссовскому распределению) во всем протяжении световода вплоть до километре позволяет с очень высокой точностью производить внергетическйе измерения в указанных процессах;
Путем подбора соответствующих мод иалонодового световода можно дооиться режима синхронизации фаз взаимодействующих волн, необходимого для эффективного протекания параметрических процессов.
Укаэашше преимущества световодов во многих случаях являются достаточными, .чтобы компенсировать тот их недостаток для нелинейнсй модуляциь, что нелинейность стекла (основного материала волоконных световодов) на несколько порядков ниже, чем у материалов, типично используемых в нелинейной оптике. В результате указанных причин,за короткий промежуток времени с момента создания волоконных световодов, 4-5 лет, бали обнаружена практически все нелинейные аффекты, которые могут наблюдаться в них: в центросимметричнои среде, каковой является стекло, наименьшей по порядку нелинейности является кубическая, и в ней могут наблюдаться такие процессы как вынужденное комбинационное рассеянае (ВКР), вынужденное рассеяние мандельигэка-Вриллюэна (ВРМБ), четырехфотонное смещение (ЧС), оптический эффект Керра (ОЭК), а эффекта, обусловленные квадратичной нелинейностью, например генерация второе гармоники, подавлена.
С другой стороны, возможность реализации огромных длин взаимодействия излучения со средой в волохопках сзетовогэх также повышает эффективность модуляции распространяющегося в них излучения при линейных оптических процессах (термо- и упругооптические эффекты и др.). Несмотря на небольшие значения термо- и упругооптических коэффициентов плавленого кварца, в
волоконних световодах легко достигается высокоэффективная модуляция фаза и поляризации излучения, что нашло свое практическое воплощение в разработке таких прецезнонннх волоконных устройств как датчики температури, гидрофона и гироскопы и т.п.
8ЗОІШ2ШШ!ШоОі^0ЇО_2ШВІШ_зад822і Целью настоящей работы является экспериментально: нсогэдование Сизической природы нелинейной модуляции лазерного излучения в одномодовых волоконных световодах и волоконных интерферометрических устройствах. Исходя из этой цели, основными задачами диссертации явились:
Установление и исследование основных физических механизмов модуляции излучения, обусловленных линейными и нелинейными процессами в световодах;
Целостное изучение взаимовлияния параметров световода и внешних воздействии на характер протекания нелинейннх процессов и основных характеристик модуляции излучения путем применения различных модуляционных процессов;
- Определение 'для каждого .частотного диапазона модуляции
наиболее подходящие маханизмн модуляции, а также установить
физические механизмы нестабильности процессов нелинейной модуляции
излучения;
Для реаения этих задач было необходимо:
создать экспериментальные установки с использованием различных лазеров (перестраиваем!» и постоянных, одночзстотных или ке широкополосных, непрерывных или же пякосекундной длительности и т.д.), световодов (одномодовых или ке многомодовнх, со слабой или сильной анизотропией, многоканальных), волоконных интерферометров и т.д.);
Разработать методику исследования спектрально-временных характеристик модулированного излучения с помощью методов строб -интегрирования при импульсно-аериодичаском режиме возбуждения и определения автокорреляционной функции сверхкоротких световых импульсов при генерации неколлинеарной второй гармоники излучения;
Изучить ' характеристики модуляции излучения при "сляризационной,. фазовой и частотной модуляции излучения в
^?'ОВОД8У:
- Определить" наиболее оптимальные диапазоны частот для
аффективной модуляция излучения для каждой из уквзвнннх механизмов модуляции и установить физические яричинн ограничений параметров модуляции;
Изучить характеристики нестабильности параметров модулированного излучения, в то*' числе обусловленных нелинейными эффектами;
Нау_чная_новизнаЛ
В работе впервые экспериментально обнаружено и исследовано новое физическое явление - поляризационная неустойчивость лазерного излучения в слабодвулучепреломляющем световоде, возникающее за счет компенсаций собственного двулучепреломления среди с наведенням при ОЗК;
Экспериментально показано, что в условиях поляризационной неустойчивости лазерного излучения в ОВС, имеющим наряду с линейным двудучепраломлением и оптическую активность возможна генераций оптического хаоса;
-В многоканальных волоконных световодах впервые обнаружена и исследована нестационарная тегпературная модуляция излучения, обусловленная релаксацией температурного градиента в поперечном сечении световода и характеризующаяся временим релаксации ~ Ю-6 -Ю"4 сек;
- Показана возможность эффективной модуляции а коммутации
специфических сверхкоротких световах ишульсов - фбктосекундних
солвтонов при прохождении ими целыюволоконногс интерферометра
Саньяка - волоконной леми, которые обуславливается как наличием
нелинейного иевзаимного набега фаз встречных" вслн за счет ОЭК,
так и характерними особенностями соллтонов - возможностью
преобразования в другой, уединенный импульс с другими амплитудой и
временным профилем;
Показана возмомость перестройки частоты генерируемого излучения в световодах за счет нелинейного взаимодействия лазерного излу.чения путем изменения как волноводннх параметров (поляризационной дисперсии, фазовых постоянных мод и др.), так и частотной отстройки волн накачки при двухчастотной накачке;
Предложена схема усиления шггенсивнс;ги рассеянного излучения при спонтанном. КР молекулами, подверхенянх
фотодеструкции, за счет рффектв гигантского КР, используя ОВС, покрытых тонким ( " I вм) металлическим слоем я эффективного светосОора в конструкции из волоконного жгута.
Н8ХЗЗО:_ЗШЖШШ_зкачимость. Укажем несколько областей научного и практического использования модуляционных нелинейных процессов, исследованных ъ насояцей диссертации.
1л_ЙШнейная_оптикаА Исследовэннае в работе процессы могут дать дополнительную информацию для вияснення физической природи нелинейного взаимодействия лазерного излучения с веществом, что связано как специфическими особенностями волоконных световодов, перечисленнах ваше, так и спектрально-кинетическими характеристиками использованного излучения, в частности феьтосекундных солитонов. Предельное, для оптического диапазона, быстродействие нерезонансной кубической восприимчивости и характерное соотноиение между мниной и реальной частями этой восприимчивости среды позволяет получать ценнейшую информацию о физике нелинейннх ;восприимчивостей, которую невозможно получить в других, трэди донных материалах нелинейной оптики.
2л_0птическая_связЬі Полученные в работе экспериментальные результаты могут быть использована при разработке волоконно -оптических систем связи: для выбора световодов в качестве трактов передачи (поляризационные свойства, параметры световода, покрытие и т.п.), для создания различных цельно - оптических базовых элементов систем связи (модуляторы, коммутвторы, логические элементы), а такке для выбора самих принципов модуляции, в зависимости от требуемых параметров модуляции. Установленные температурные зависимости параметров световодов могут быть йспользоваян для определения стабильности разрабатываемых волоконно - оптических устройств.
Зі_0птические_компьютерн_и_оптическ8а_инф^ Сверхбыстрая модуляция поляризации и фазы излучения, за счет оптического эффекта Керра, может быть основой для создания различных логических оптических элементов. Высокое быстродействие, возможность создания элементов в цельно-оптическом варианте и їостаточно низкие требуемые мощности открывают широкие перспективы для использования указанных элементов, в качестве базовых, в
будущих оптических компьютерах. При этом ограничения применения волоконных логических элементов в оптических процессорах, связанные с задержкой света в световоде могут Сап преодолены за счет конвейерной обработки информации.
іі_@5МК2йнне_дапми_физических_20лейі Крайне высокие чувствительности разработанная, в настоящее время, волоконных датчиков внешних полей ставят задачу определения фундаментального предела их чувствительности, который- в большинстве случаев обусловлен нелинейными искажениями i»j3H и поляризации излучения. Получвннав в диссертации внражения для временных зависимостей нелинейной модуляции параметров излучения при ОЗК. б волоконных интерферометрах позволяют определять частотные характеристики нелинейных шумов и связать их с характеристиками" используемого излучения и длиной волоконного контура как в стационарном, так и в нестационарном случаях.
йл_МвтрИ!<_10локоннах_световодовл Установленные 'зависимости между частотным' сдвигом фазового синхронизма ЧС" и дисперсионными характеристиками световодов позволяют в эксперименте, по измерениям частот отокс-антистоксовых излучений-*, определять как параметры световодов в целом, так й волноводные; характеристики отдельных мод, которые не поддаются измерениям, в традиционных методиках измерений (постоянные распространения и групповые задержки линейно-поляризованных мод и др.-).
Защиаемуе_положия:
В слабоанизотропном одяомодовом «.световоде собственное двулучепрелемдекие, возникающее при изготовлении- из-за технологических причин, может кокп'енсир'оввпея изведенным га счет оптического эффекта Керра путем подбора' сосгоыия поляризации и модности излучения накачки;
В условиях компенсации со'бственоі-о двулучепре^омле.чия ОБО нелинейным возникает поляризационная ни устойчивость, излучения, заключающаяся в значительной увеличении. нестабильяоете: состояния поляризации, лазерного излучения при прохождений:, световода. Механизм поляризационной неустойчивости излучения-связан с наличием обратной связи реяду состоянием поляризаций лзлученля и степенью компенсйроБзиности двулучепре.яомлений в ОВС;
- Эффективная модуляция фазы излучения в волоконном
интерферометре Маха-Цендера может осуществляться нестационарными
температурними полями в поперечном сечении 'световода,
характеризующимися временами релаксации 10"^ - І0"4 сек;
В волоконном интерферометре Саньяка за счет дифференциального воздейст^я модулирующего импульса' накачки на фазы встречной и попутной 'волн непрерывного модулируемого излучения можно эффективно, с глубиной до 100. модулировать излучение при мощностях менее I Вт;
- Частотную отстройку генерируемого излучения при нелинейном
четырехфотонном сиеяении в анизотропном ОВС можно перестраивать в
области 10 - 1000 см-* путем изменения собственого
двулучелреломлвняя' ОВС - бп от I0"7 до 10"4;
-Возможность эффективного преобразования параметров специфических оптических импульсов - фемтосекундных солитонов в волоконной петле позволяет модулировать и коммутировать как самих себя, за счет самовоздействия, так и другого квазинепрерывного излучения,' введенного параллельно с ' солитонами, за счет кросс-модуляции.
іпробация_работн.-
Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на выездной сессии Отделения физико-математических наук АН РУз в ОТФ АН РУз (19.06.1988 г.), на семинарах ОТФ АН РУз, Отделов Волоконной оптики н Колебаний ИОФ РАН, НИШ МГУ (г. Москва), кафедры оптики ЛТУ (г. Санкт-Петербург), а также на следующих конференциях и семинарах:
-
XI - XIV всесоюзные конференции по когерентной и нелинейной оптике (КнНО), г. Ереван, 1982; г.Москва, 1985; г. Минск, 1988; г.Ленинград, 1991.
-
I? - VI Всесоюзные конференции "Оптика лазеров", г. Ленинград, 1984; 1987; 1990.
3. Всесоюзная конференция "Волоконно-оптические линии связи",
г. Киев, 1982. ;
4. IV Всесоюзная конференция "Перестраива^не по частоте
лазеры", г. Новособирск, 1983.
5. Всесоюзная конференция ко управлению параметров лазерного
- II -
излучения, Хабаровск, 1988.
-
Международная конференция "0рика*89", г. Варна, НРБ, 1989.
-
IX Всесоюзная конференция п" когерентной оптике, г. Ужгород, 1989.
-
I и II Всесоюзные конференции "Физические проблема оптической связи, г. Севастополь, 1990, 1991.
9. Всесоюзная конференция "Метрология лазерных измерительных
систем" (МЛИС), т. Волгоград, 1991.
10. Международная конференция по Раман-спектроскошш, г.
Вьюрцбург. ФРГ, 1992.
11. Международная конференция J5RPOS-6, г.Капри, Италия, 1992.
12. Международная конференция по альтернативным лазерным
технологиям, г. Москва, 1992.
13. Региональные семинар "Сгруктурно-д .намические процессы в
неупорядочемш средах",.г. Самарканд, 1992.
Л8282Й_ШсШ_с2888Ш2а В диссертации' приведены вкспериментальные результаты, полученные лично авторам. Автором определялись цель и задачи исследований, осуществлялось обобщение результатов. Некоторые эксперимента поставлены в творческом сотрудничестве с М.А.Каснмджановым, Ф.Юиртаджиевнм, Д.В.Хайдаровым (ОТФ АН РУз), Е.М.Двановым, А.Я.Карасиком, ї.ї.Басиевнм (ИОФ РАН, г. Москва), Д.Д.Гусовским а А.Н.Гурьяновым (ИХ РАН, г. Нижний Новгород), которым автор виражає? свою признательность.
Список научных їрудов, в которых опубяикованн основные результаты диссертационной работы включает Щ. наименований.
