Введение к работе
Диссертационная работа посвящена развитие нового направления в квантовой радиофизике - теории стабилизации и компрессии сверхкоротких лазерных импульсов с помощью нелинейных и диспергирующих элементов.
Актуальность проведених исследований связана с разнообразными физических и техническими приложениями фемтосекундных лазерных импульсов.
Во-первых , фемтосекундная оптическая техника позволяет получать недоступную ранее информацию о быстропротекающих процессы переноса энергии и дефазировки оптических возбуждений в многоатомных молекулах, в том числе и биологически актипных , полупроводниках, металлах с предельным для оптических методов временным разрешением 10" с.
Второй аспект связан с принципиально новыми возможностями воздействия на вещество. Дело в том, что сокращение длительности удается сочетать с ростом пиковой мощности импульсов. В сравнительно скромных по своим масштабам лабораторных установках ( типичная энергия импульса 0.1 Дж, длительность 100 фс ) достигаются тераваттные пиковые мощности, а при фокусировке реализуется интенсивности до 10 Вт/см1, что соответствует нап-ряженностям световых полей, превышающим внутриатомные. Реальность» становятся новые типы оптически индуцируемых фазовых переходов и даже эксперименты, направленные на регистрацию эффектов, предсказываемых нелинейной квантовой электродинамикой.
Важнейший прикладной аспект - это реализация предельных скоростей оптической обработки, хранения и передачи информации. Здесь, наряду со ставшими уже традиционными быстродействующими оптоэлектронными устройствами, интенсивно развиваются методы управления "света - светом". Солитонные режимы распространения сверхкоротких импульсов по волоконным световодам открывают реальные перспективы повышения скорости передачи до терабит в секунду. Среди других приложений упомянем пикосекундную электронику, генерацию сверхкоротких электронных сгустков, рентгенов-
ских и акустических импульсов.
Ключевую роль в деле формирования фемтосекундных импульсов из пикосекундных играют волоконные световоды. Одномодовые волоконные световоды с практически безынерционной электронной нелинейностью показателя преломления используются для модуляциии фазы и, следовательно, частоты импульсов. Последующая фазировка компонент уширенного во много раз спектра осуществляется в диспергирующей линии задержки и приводит к значительному сокращению длительности при минимальных энергетических потерях. Фактически речь идет о временном аналоге фокусировки волнового пучка. ч
Благодаря особенностям дисперсионных свойств ( аномальная дисперсия групповой скорости в ближнем ИК диапазоне ) и предельно малым потерям ( до 0.2 Дб/км ) волоконные световоды оказались незаменимыми и в деле стабилизации длительности импульсов при передаче их на сверхдальние расстояния, превышающие собственную длину импульса в 10 - 10 раз. В условиях аномальной дисперсии групповой скорости совместное проявление нелинейности и дисперсии носит характер конкуренции, приводит к стабилизации длительности и формированию оптических солитонов. Нарушение баланса нелинейность - дисперсия за счет увеличения входной мощности импульса позволяет реализовать его самосжатие.
Развитие физики и техники формирования сверхкоротких импульсов, переход к фемтосекундным временным масштабам и тера-ваттным интенсивностям привел к необходимости дальнейшего продвижения в теории нелинейных нестационарных волн.
Целью диссертационной работы являлось установление основных физических закономерностей стабилизации И компрессии сверхкоротких лазерных импульсов, построение адекватных математических моделей нестационарных нелинейно-оптических процессов, развитие эффективных аналитических и численных методов решения соответствующих уравнений и разработка на этой основе новых подходов к управлению характеристиками фемтосекундных импульсов.
Для достижения этой цели были поставлены следующие конкретные задачи:
-
Дальнейшее развитие методов математического описания нестационарных нелинейно-оптических процессов. Разработка адекватных аналитических и численных методов анализа соответствущих уравнений, ориентированных на получение информации о волновых полях не только в ближней, но и в дальней зоне, т.е. на расстояниях, многократно превышагадих характерные дисперсионные и нелинейные длины, с привлечением аппарата обобщенных спектральных преобразований ( метода обратной задачи рассеяния ).
-
Выявление физической картины и количественных закономерностей нелинейных искажений модовых структур в световодах. Исследование взаимосвязи пространственных ( самофокусировка ) и временных ( дисперсионная фазовая самомодуляция ) эффектов самовоздействия в градиентных световодах с различными профилями показателя преломления.
-
Детальный количественный анализ динамики формирования, распространения, взаимодействия пико- и фемтосекундных солито-нов в волоконных световодах, вклочасщий выявление роли стохастических возмущений начальных данных, кубичной дисперсии, волновой нестационарности и инерционности нелинейного отклика. Рассмотрение возможностей управления параметрами оптических со-литонов и их использования для анализа временного хода интенсивности и фазы сверхкоротких импульсов с субпикосекундным временным разрешением ( солитонное зондирование ).
-
Исследование возможностей использования модуляционной неустойчивости непрерывного и импульсного излучения для генерации последовательностей фемтосекундных импульсов с терагерцо-вой частотой повторения. Выработка практических рекомендаций. Рассмотрение нового подхода к формированию фемтосекундных соли-тонов из пикосекундных импульсов - стимулированного распада многосолитонных импульсов.
-
Выявление количественных закономерностей дисперсионной фазовой самомодуляции регулярных и случайно-модулированных импульсов в волоконных световодах, выработка практических рекомендаций по выбору оптимальных для сжатия соотношений между параметрами излучения и световода. Анализ перспектив использования методов адаптивной оптики для управления не только парамет-
рами, но и формой сжатых импульсов.
6. Разработка новых высокоэффективных схем каскадной компрессии, в том числе с использованием эффектов многосолитонного самосжатия, фазовой кросс-модуляции, комбинационного преобразования частоты. Применение полученных результатов для создания фемтосекундных лазерных систем.
Научная новизна
-
Впервые разработан комплекс эффективных аналитических и численных методов анализа нестационарных волновых полей в нелинейных световодах, базирующийся как на прямых методах численного интегрирования нелинейного уравнения Шредингера и его модификаций, так и на методе обратной задачи рассеяния.
-
Впервые проанализирована волновая картина нелинейных искажений модовых структур, показано, что керровская нелинейность показателя преломения приводит к возникновению осцилляции радиуса волнового пучка и уменьшению эффективной площади моды. Прослежена взаимосвязь пространственнных ( самофокусировка ) и временных ( дисперсионная фазовая самомодуляция ) эффектов самовоздействия.
-
Предложен и проанализирован метод управления параметрами односолитонных импульсов, основанный на их суперпозиции со сдвинутыми по частоте управляющими импульсами. Установлены оптимальные параметры управляющих импульсов, выявлены предельные возможности.
-
Впервые проведен комплексный анализ статистики параметров односолитонных импульсов при стохастических возмущениях начальных данных. Обоснована возможность использования нелинейных световодов для регуляризации импульсов, содержащих шумовую компоненту.
-
Развит и обоснован принципиально новый подход к нахождению временного хода интенсивности и фазы сверхкоротких импульсов - метод солитонного зондирования. Предложены и проанализированы алгоритмы реконструкции комплексной огибающей по данным солитонного зондирования, показана устойчивость процеду-
ры восстановления по отношение к случайным ошибкам эмпирических данных.
-
Проведен детальный анализ динамики фемтосекундных соли-тонов не только в ближнем, но и в дальнем поле. Установлены физические закономерности преобразования огибающей, спектра и частотной модуляции обусловленные кубичной дисперсией, нелинейной дисперсией групповой скорости и инерционностью нелинейного отклика.
-
Исследованы возможности использования модуляционной неустойчивости непрерывного и импульсного излучения для генерации субпикосекундных импульсов с тератерцовой частотой повторения. С учетом влияния кубичной дисперсии установлены оптимальные соотношения между характеристиками излучения и затравочной модуляции.
-
На основе результатов анализа конкуренции модуляционной неустойчивости и самосжатия многосолитонных импульсов предложена и исследована каскадная схема стабилизации процесса самосжатия.
-
Предложен и обоснован новый подход к формированию фем-тосекундных солитонов из пикосекундных лазерных импульсов-стимулированный распад многосолитонных импульсов. Выявлены оптимальные значения сдвига частоты возмущающего импульса, изучена динамика стимулированного распада.
10.Впервые установлены количественные закономерности дисперсионной фазовой самомодуляции и компрессии спектрально-ограниченных и случайно-модулированных импульсов. Результаты обобщены в виде простых формул для расчета оптимальных параметров световода и компрессора.
11.Развиты новые подходы к управлению параметрами и формой сжатых импульсов, основанные на методах адаптивной оптики. Рас-сморены возможности фазировки спектральных компонент с помощью фазовых транспарантов и модального управления фазой входного импульса с целью формирования на выходе компрессора импульсов минимальной длительности.
12.Впервые проведено комплексное исследование самовоздей-стеия и компрессии фемтосекундных лазерных импульсов, что поз-
волило интерпретировать известные экспериментальные данные и выработать практические рекомендации по достижение предельной степени сжатия.
13.Изучены оптимальные режимы работы и предельные возможности каскадных схем сжатия лазерных импульсов видимого и ближнего ИК диапазонов. Показано, что с помощью системы из двух последовательно соединенных световодов с нормальной и аномальной дисперсией групповой скорости можно формировать из пикосе-кундных многосолитонных имульсов перестраиваемые по частоте фемтосекундные солитоны.
15. Предложены и исследованы новые высокоэффективные схемы формирования сверхкоротких импульсов, базирующиеся на использовании комбинационного преобразования частоты и эффекта фазовой кросс-модуляции.
Практическая значимость работы
-
Практическую ценность имеют высокоэффективные алгоритмы и комплексы программ для анализа нестационарных волновых полей, базирующиеся как на прямых методах интегрирования нелинейного уравнения Шредингера и его модификаций, так и на методе обратной задачи рассеяния.
-
Результаты анализа статистики солитонов, позволяющие сформулировать требования к стабильности солитонных генераторов в быстродействующих оптических информационных системах. Предложенные в работе методы управления параметрами солитонов, нелинейно-оптической фильтрации , восстановления огибающей и фазы сверхкоротких импульсов с субпикосекундным временным разрешением ( солитонное зондирование ).
-
Рекомендации по использованию модуляционной неустойчивости для генерации импульсных последовательностей, методика каскадной стабилизации самосжатия многосолитонных импульсов и формирования фемтосекундных солитонов путем стимулированного распада.
-
Результаты оптимизации параметров однокаскадных и многокаскадных схем компрессии пико- и фемтосекундных импульсов.
Оригинальные подходы к управление характеристиками сжатых импульсов, основанные на принципах адаптивной оптики. Новые схемы компрессии, использующие удвоение частоты модулированных импульсов, кросс-модуляцию и комбинационное преобразование частоты.
На защиту выносятся следующие положения:
-
Адекватное математическое описание нестационарных нелинейно-оптических процессов, происходящих в волоконных световодах при распространении высокоинтенсивных фемтосекундиых импульсов, требует учета инерционности нелинейного отклика, дисперсии высших порядков и нелинейной дисперсии групповой скорости. Полная информация о динамике и статистике волновых полей в ближней и в дальней зоне может быть получена лишь на основе комплексного подхода, включающего как прямые методы интегрирования, так и технику обобщенных спектральных преобразований.
-
При мощностях меньших порога самофокусировки искажения модовых структур в волоконных световодах, обусловленные керров-ской нелинейностью показателя преломления, приводят к возникновению пространственных осцилляции радиуса волнового пучка и к уменьшению эффективной площади моды. В результате временные эффекты самовоздействия ( дисперсионная фазовая самомодуляция ) усиливаются.
-
Особенности формирования солитонов из стохастически возмущенных импульсов, состоят в том, что синфазная с солитоном компонента шума влияет, в основном, на форм-фактор, а другая квадратурная компонента - на его скорость. Флуктуации форм-фактора солитона монотонно растут с увеличением времени корреляции, а флуктуации скорости достигают максимума при времени корреляции порядка длительности импульса. Волоконные световоды можно использовать в качестве эффективных нелинейных фильтров , регу-ляризующих временную и пространственную структуру импульсного излучения.
-
Метод солитонного зондирования, основанный на регистрации изменений параметров солитонных импульсов при их взаимодействии с исследуемыми импульсами, позволяет восстановить временной ход интенсивности и фазы с субпикосекундным временным разрешением.
Б. Модуляционная неустойчивость многосолитонных импульсов является одним из основных факторов, ограничивающих предельную степень их самосжатия. Эффективная стабилизация процесса самосжатия стохастически возмущенных многосолитонных импульсов может быть достигнута за счет использовании промежуточных диспергирующих элементов и спектральных фильтров.
-
Стимулированный распад, основанный на суперпозиции N-солитонных импульсов со сдвинутыми по частоте возмущающими импульсами, является эффективным средством формирования фемто-секундных солитонов из пикосекундных N-солитонных импульсов.
-
В области нормальной дисперсии групповой скорости дисперсионное самовоздействие случайно-модулированных пикосекундных импульсов приводит к сглаживанию флуктуации интенсивности и линеаризации зависимости текущей частоты от времени. При этом оптимальная длина волоконного световода близка к удвоенной длине самовоздействия. Существенная стабилизация параметров сжатых импульсов достигается методами спектральной фильтрации.
-
Корректный учет нелинейной дисперсии групповой скорости, инерционности нелинейного отклика и дисперсии высших порядков позволяет интерпретировать такие особенности самовоздействия фемтосекундных импульсов, как асимметрия спектров, их сверхлинейное уширение с ростом входной мощности и насыщение степени сжатия. Предельная степень сжатия фемтосекундных импульсов с помощью квадратичных компрессоров ограничивается нарушением линейности частотной модуляции. Эффективное сжатие таких импульсов требует использования компрессоров способных компенсировать не только линейную, но и квадратичную по времени частотную модуляцию.
6. Предложенные и проанализированные высокоэффективные схемы каскадной компрессии, в том числе с использованием эффектов многосолитонного самосжатия, фазовой кросс-модуляции, комбинационного преобразования частоты, нашли применение при создании генератора мощных перестраиваемых по частоте субпикосе-кундных импульсов видимого диапазона, высокоэффективного компрессора импульсов второй гармоники лазера на гранате с неоди-
- и -
мом, стабилизированного нелинейно-оптического компрессора с удвоением частоты модулированных в световоде импульсов.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы были представлены на следующих международных и всесоюзных конференциях, симпозиумах, семинарах: Международных конференциях "Лазеры и их применения" ( ГДР. Лейпциг, 1981 г.; СРР, Бухарест, 1982 г.). Международных школах по когерентной и нелинейной оптике ( ЧССР, Бехине, 1983 г.; ГДР, Иена, 1984; СССР, Тбилиси, 1987 г.; СССР, Ужгород, 1989 г.), 8-ой Вавиловской конференции по нелинейной оптике ( Новосибирск, 1984 г. ), Всесоюзных конференциях по когерентной и нелинейной оптике ( Ереван, 1982 г.; Москва, 1985 г.; Минск 1988 г.). Всесоюзных конференциях "Оптика лазеров" ( Ленинград, 1984 г.; 1987 г. ), Всесоюзных симпозиумах "Дифракция и распространение волн" ( Ростоз-на-Дону, 1977 г.; Тбилиси, 1985 г.),Всесоюзном семинаре по математическим задачам нелинейной оптики ( Красноярск, 1983 г.),Всесоюзных конференциях молодых ученых и специалистов "Теоретическая и прикладная оптика" ( Ленинград, 1986 г.; 1988 г.), Международных симпозиумах "Сверхбыстрые процессы в спектроскопии" ( СССР, Вильнюс, 1987; ГДР, Нойбранденбург, 1989 г.) Всесоюзном семинаре "Нелинейно-оптическая компрессия лазерных импульсов ( Вильнюс, 1988 г.), сессиях Координационного совета Минвуза СССР по программе "Лазеры", сессиях Научного совета АН СССР по проблеме "Когерентная и нелинейная оптика", научных семинарах Лаборатории нелинейной оптики МГУ, МФТИ, ИОФ АН СССР и других организаций.
Структура и об'єм диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка цитируемой литературы и трех приложений. Общий об'єм работы 369 страниц из которых 245 стр. составляют основной текст, 23 стр. - список литературы, содержащий 205 наименований, 24 стр. занимают приложения, на 98 стр. размещено 110 рисунков.
