Введение к работе
Актуальность темы
В настоящее время фемтосекундные лазеры становятся все более доступными и уже есть во многих научных и учебных заведениях Подобные лазерные системы позволяют исследовать оптические явления, коюрые можно назвать необычными даже для пикосекундной оптики Одно из таких явлений — сверхуширение временного спектра излучения, когда ширина спектра становится соизмеримой с его центральной частотой Это явление в поле фемтосекундных импульсов наблюдается практически во всех прозрачных средах Явление сверхуширения временного спектра называют также генерацией спектрального суперконтинуума Открытое еще в 1970-х годах при использовании импульсов пикосекундной длительности, оно, тем не менее, переживает в данный момент период активного исследования, связанный, в первую очередь, с прогрессом в области создания новых источников фемтосекундного лазерного излучения, а также появлением новых волноводных структур
Явление генерации спектрального суперконтинуума в нелинейной фемтосекундной оптике становится фундаментальным и сопровождает практически все остальные ее эффекты временное уширение или сжатие импульсов, их самофокусировку и тп Эти эффекты для одиночных фемтосекундных импульсов изучались во многих статьях Публикаций, в которых бы анализировалось взаимодействие импульсов со сверхширокими спектрами в нелинейной среде, на момент начала работ нам известно не было В настоящее время количество работ, посвященных исследованию взаимодействия импульсов в нелинейных средах, а также их интерференции на выходе нелинейных сред, активно растет В ряде научных работ, появившихся в последние годы, отмечается, что использование эффекта
интерференции спектральных суперконгинуумов может привести к созданию лазерных систем с принципиально новыми свойствами В частности, экспериментально показано, что при наложении спектральных суперконтинуумов, независимо порожденных двумя фемтосекундными импульсами, которые исходно получают из одного, наблюдается квазидискретная ("гребенчатая") структура спектра. Такую структуру можно рассматривать как множество отдельных источников излучения с различными центральными частотами Так называемые "частотные гребенки", вне зависимости от способа их получения, привлекательны для многих областей науки и техники В 2005-ом году, американец Джон Холл и немец Теодор Хэнш стали лауреатами Нобелевской премии за работы в области прецизионной лазерной спектроскопии, "включая технику измерения, основанную на использовании частотных гребенок". Источники излучения с квазидискретным спектром на сегодняшний день также востребованы в системах передачи данных, построенных на принципе мультиплексирования по длинам волн (Wavelength Division Multiplexing), использование которых позволяет достигать скоростей передачи данных в несколько десятков терабит в секунду.
Цель работы состояла в исследовании сценариев взаимодействия сонаправленных фемтосекундных спектральных суперконтинуумов в диэлектрических средах с нормальной групповой дисперсией и нерезонансной нелинейностью, а также анализе механизмов генерации последовательности импульсов при таком взаимодействии
Для достижения цели были поставлены следующие задачи.
1 Численное решение уравнений, описывающих нелинейную динамику взаимодействия импульсов со сверхширокими спектрами в оптических волноводах
Численное решение уравнений, описывающих нелинейную динамику взаимодействия импульсов со сверхширокими спектрами в объемных диэлектрических средах
Описание сценариев взаимодействия импульсов из малого числа колебаний с различными центральными длинами волн в нелинейных оптических средах с дисперсией и безынерционной кубической нелинейностью
4. Выявление оптимальных сочетаний параметров входных импульсов для достижения эффекта генерации последовательности импульсов нз, выходе нелинейной среды
5 Анализ возможностей управления параметрами получаемой последовательности импульсов
Основные положения, выносимые на защиту:
Существует два основных сценария взаимодействия сонаправленных фемтосекундных спектральных суперконтинуумов в волноведущих и объемных диэлектрических средах с нормальной групповой дисперсией и безынерционной кубической нелинейностью Первый сценарий -столкновения и последующего расхождения импульсов - реализуется, когда их спектры не перекрываются на всем протяжении взаимодействия импульсов, второй — столкновения и формирования единой полевой структуры, когда спектры импульсов при взаимодействии перекрываются из-за их сверхуширения в нелинейной среде.
Если самоуширяющиеся спектры взаимодействующих в объемной нелинейной диэлектрической среде фемтосекундных импульсов не перекрываются в то время, пока один импульс проходит через другой, то импульсы приобретают дополнительную фокусировку. Пиковая интенсивность при прохождении фемтосекундных импульсов друг через друга, например в кварцевом стекле, может увеличиваться в разы В
волноводе из кварцевого стекла при взаимодействии импульсов может наблюдаться генерация комбинационных частот с интенсивностью до Ю^от исходной
Если спектры фемтосекундных импульсов в процессе взаимодействия начинают перекрываться и образуется единая полевая структура, то ее центральная часть может представлять собой последовательность сверхкоротких импульсов с частотой повторения 30-100 ТГц Эта последовательность имеет квазидискретный спектр, причем каждой выделенной компоненте квазидискретного спектра соответствует свой импульс в последовательности.
Частотой повторения и общей длительностью последовательности сверхкоротких импульсов, формирующейся при столкновении фемтосекундных импульсов в нелинейной среде, можно управлять, меняя временную задержку между взаимодействующими импульсами на входе в среду При увеличении этой задержки увеличивается частота повторения импульсов, однако уменьшается общая длительность последовательности
Научная новизна работы определяется тем, что в ней впервые 1. Сценарии взаимодействия двух фемтосекундных спектральных суперконтинуумов, распространяющихся сонаправленно в диэлектрических средах с нормальной групповой дисперсией и нерезонансной кубической нелинейностью, продемонстрированы на основе метода, не ограниченного приближением медленно меняющейся огибающей
2 Показана связь уравнения, анализируемого в работе и при выводе которого использовано приближение медленно меняющегося профиля, с широко известной системой уравнений, описывающих взаимодействие двух квазимонохроматических импульсов При этом определены пределы применимости такой системы
Численные расчеты иллюстрированы для практически важного; случая взаимодействия первой и второй гармоник фемтосекундного излучения Ті S лазера в оптическом волокне из кварцевого стекла, а также в объемном кварцевом стекле
Продемонстрирована возможность генерации терагерцовой последовательности сверхкоротких импульсов при взаимодействии фемтосекундных импульсов, имеющих на входе в среду различные центральные длины волн, в среде с нормальной групповой дисперсией ъ. нерезонансной кубической нелинейностью
Достоверность полученных результатов обоснована тем, что методы решения рассмотренных в диссертации задач базируются на современных теоретических представлениях и подходах к описанию динамики распространения импульсов со сверхшироким спектром в нелинейных средах. Используемые численные методы хорошо описывают известные аналитические решения, а также согласуются с известными экспериментальными данными
Практическую ценность представляет продемонстрированный в работе метод генерации последовательности фемтосекундных импульсов Подобный метод может использоваться в системах сверхбыстрой передачи данных на скоростях более 10 Тб/с.
Апробация основных результатов
Результаты диссертационной работы докладывались на следующих 18 международных и российских конференциях- международных конференциях молодых ученых и специалистов "Оптика" (Санкт-Петербург, 1999, 2001, 2005, 2007), международных конференциях LOYS (Санкт-Петербург, 2000, 2003), международной конференции ICONO (Минск, Беларусь, 2001, 2007), международных конференциях IQEC/LAT (Москва, 2002, Санкт-Петербург,
2005), международной конференции «Фундаментальные проблемы оптики» (Санкт-Петербург, 2006), конференции "Современные проблемы лазерной физики" (Санкт-Петербург, 2004), международной конференции «Photonic devices and algorithms for computing VII» (San Diego, California, USA, 2005), высшей лазерной школе (Москва, 2004), всероссийской школе-семинаре "Физика и применение микроволн" (Москва, 2007), международном тематическом семинаре "Topical Meeting on Optoinformatics'05" (Санкт-Петербург, 2005), научных и учебно-методических конференциях СПбГУ ИТМО (Санкт-Петербург, 2005,2006)
Публикации
Основные результаты диссертации изложены в 15 печатных работах, список которых приведен в конце автореферата, в том числе 5 печатных работ опубликовано в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Личный вклад
Диссертант принимал участие в постановке и решении задач, обработке и обсуждении полученных результатов. Представленные результаты расчетов выполнены диссертантом
Структура и объем работы
Диссертация состоит из перечня условных обозначений, введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 102 страницах машинописного текста, 32 рисунках и в 4 таблицах Список литературы включает в себя 95 наименований
