Введение к работе
Актуальность темы диссертации
Возможность применения нелинейных эффектов, имеющих место при когерентном взаимодействии оптического излучения с ансамблем двухуровневых атомов, для создания быстродействующих систем оптической обработки информации делает актуальным исследование процессов распространения ультракоротких импульсов света в оптически плотных резонансных средах. Преимущество в использовании коротких импульсов состоит в их нечувствительности к релаксационным процессам в ансамбле атомов и, в то же время, позволяет во всей полноте использовать высокую степень нелинейности резонансной среды.
Особый интерес вызывает исследование свойств устойчивых пространственно-временных структур, способных распространяться без потери анергии и без изменения формы в оптически плотной среде. Такой структурой является импульс в форме sech с площадью под огибающей равной 2т (2т-импуяъс), получивший название солитона самоиндуцированной прозрачности (солитона СИП), [1].
К началу работы над диссертацией в научной литературе уже имелось значительное количество публикаций, посвященных изучению эффекта СИП, но практически не исследованной оставалась проблема генерации 2т-импульсов непосредственно внутри резонатора лазера, решение которой позволило бы создать новый источник стандартизованных импульсов со стабильными параметрами.
Весьма серьезную проблему, также не нашедшую отражения в научной литературе, и связанную с поперечной динамикой ограниченных в пространстве импульсов, представляет поиск возможностей стабилизации солитонов СИП на больших длинах трасс распространения. Процесс развития поперечной неустойчивости приводит к полному распаду солитона при прохождении им в среде порядка 10 -г 15 своих длин. Проявление тенденции к неконтролируемым изменениям временной и пространственной формы и связанное с этим жесткое ограничение на оптическую толщину среды резко ограничивают возможности приме-
нения эффекта СИП в оптовлектронике.
Проблема фундаментального характера возникла совсем недавно в связи с експериментами Егорова B.C. и Реутовой Н.М., которые обнаружили новые особенности когерентного взаимодействия света с одтически плотной поглощающей средой при использовании сходящейся геометрии светового пучка. Вся совокупность наблюдаемых закономерностей получила название эффекта сверхпроэрачноети. Экспериментальные зависимости не находят объяснения в рамках существующих теорий, основанных, на одномерных моделях.
Неизученность перечисленных проблем, определила постановку вопросов, раскрытых в диссертации.
Цель работы
Целью диссертационной работы являлось теоретическое исследование пространственной динамики солитона самоиндуцированной прозрачности при его распространении в поглощающей среде, имеющей плавно спадающий от оси профиль концентрации резонансных атомов. На основе полученных результатов планировалось пролить свет на природу обнаруженного експериментально еффекта сверхпроэрачности. Целью диссертационной работы являлось также построение физической и математической модели лазера с поглощающей ячейкой, с помощью которого стало бы возможным осуществить устойчивую генерацию солитонов самоиндуцированной прозрачности.
Защищаемые положения
-
Предложен способ стабилизации поперечной структуры солитона самоиндуцированной прозрачности, основанный на создании в поглощающей среде поперечного профиля концентрации резонансных атомов. Выведены условия согласования, взаимооднозначно определяющие связь между профилем концентрации резонансных атомов и поперечным распределением поля импульса, для сред с однородно- и неоднородно-уширенными линиями поглощения с учетом расстройки между несущей частотой импульса и центральной частотой оптического перехода.
-
Выявлены основные особенности динамики пространственного солитона самоиндуцированной прозрачности, в основе ко-
горых лежит, сформулированный в диссертации, механизм дисперсионно-дифракционного солитонообразования.
-
На основе механизма дисперсионно-дифракционного солитонообразования дано объяснение всей совокупности явлений, составляющих эффект сверхпрозрачности, и которое количественно и качественно согласуется с экспериментальными зависимостями. В частности, выявлены причины выталкивания спектра импульса на низкочастотное крыло линии поглощения на величину, равную удвоенной ширине линии.
-
Развит формализм для описания механизма синхронизации мод в лазере с внутриреэонаторным поглотителем, где в качестве усилителя и поглотителя выбраны среды с временами восстановления равновесной разности населенностей меньшими периода обхода импульса по резонатору (обычно, красители, полупроводники, пары металлов, газовые среды). При условии использования широкополосного усилителя и узкополосного поглотителя теоретически рассчитала область устойчивой генерации соли-тонов саыоиндуцированной прозрачности; найдены зависимости параметров импульса от характеристик поглощающей и усиливающей сред; исследованы условия возбуждения солитонного режима генерации и проанализированы основные особенности переходных процессов.
Научная и практическая ценность
-
Применение предложенного способа стабилизации поперечной структуры солитонов самоиндуцированной прозрачности при разработке оптоалектронных устройств на основе когерентных эффектов взаимодействия импульсов с поглощающими средами позволит значительно улучшить характеристики этих устройств, и, в частности, повысить соотношение "сигнал/шум" за счет подавления процесса роста неконтролируемых возмущений поля.
-
Сформулированные основы механизма дисперсионно-дифракционного солитонообразования дают эффективный инструмент для интерпретации известных результатов, связанных с особенностями поперечной динамики солитона самоиндуцированной прозрачности, и позволяют предсказать новые эффекты.
S. Теория лазера, с внутриреэона.торкьш поглотителем, позволяющего реализовать устойчивую генерацию солитонов са-иоикдуцировакной прозрачности, содержит расчетные формулы и рекомендации, необходимые для создания действующей экспериментальной установки.
Материалы, изложенные в диссертации, докладывались на XTV Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике ("КиНО'91", Ленинград, 1991 г.); на. Международной конференции "Оптика лаэеров'93" (Санкт-Петербург, 1993); на Международном рабочем совещании "Laser РЬ.увіс8'93"(Дубна — Нижний Новгород — Москва (тур по р.Волге), 1993); на Европейской конференции по квантовой электронике ("EQEC'94", Амстердам, 1994); на XV Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике ("КиНО'95", Санкт-Петербург, 1995 г.); на Международном рабочем совещании "LPHYS'95" (Москва — Ярославль — Москва (тур по р.Волге), 1995).
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Все главы объединены общей концепцией когерентного взаимодействия имнульсов самоиндуцированной прозрачности с двухуровневыми поглощающими средами, но изложение материала в каждой главе построено по принципу внутренней достаточности, так что каждая из глав представляет собой самостоятельное законченное исследование с минимально возможными ссылками на другие главы. Диссертация содержит 155 страниц основного текста, 13 рисунков и включает в себя библиографические ссылки 90 наименований.
