Многоволновые нелинейно-оптические взаимодействия в средах с пространственной модуляцией квадратичной восприимчивости

На правах рукописиРабота выполнена на кафедре общей физики и волновых процессовфизического факультетаМосковского государственного университета имени М.В. ЛомоносоваНаучный руководитель:доктор физико-математических наук,профессор Чиркин Анатолий СтепановичОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук,Китаева Галия Хасановна,кафедра квантовой электроникиМГУ имени М.В. ЛомоносоваШУТОВ Иван ВладимировичМноговолновые нелинейно-оптическиевзаимодействия в средах с пространственноймодуляцией квадратичной восприимчивостикандидат технических наук,Гречин Сергей Гаврилович,кафедра РЛ1 МГТУимени Н.Э.

БауманаСпециальность 01.04.21 — лазерная физикаВедущая организация:АВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукНаучный центр волновых исследованийУчреждения Российской академии наукИнститута общей физикиимени А.М.ПрохороваЗащита состоится «19» ноября 2009 года в 1730 часов на заседаниидиссертационного совета Д 501.001.31 при Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова по адресу: 119991, ГСП-1,Москва, Ленинские горы, дом 1, стр.

62, Корпус нелинейной оптики,аудитория имени С.А. Ахманова.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУАвтореферат разослан «Москва — 2009»2009 годаУченый секретарь диссертационногосовета Д 501.001.31, доцентТ.М. ИльиноваI. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ1.

Актуальность проблемыВ настоящее время нелинейно-оптические преобразователи частотылазерного излучения находят применение в различных областях наукии техники. Среди них наиболее широко используются преобразователи,основанные на трехчастотных нелинейно-оптических взаимодействиях.Они лежат в основе существующих на сегодняшний день, например,источников перестраиваемого интенсивного когерентного излучения,преобразователей сверхкоротких лазерных импульсов, источников сжатого (неклассического) света и перепутанных квантовых состоянийквадратурных компонент светового поля и чисел фотонов. Реализациятрехчастотных волновых взаимодействий возможна как в однородныхнелинейно-оптических кристаллах, так и в нелинейных фотонных кристаллах (НФК), в которых знак квадратичной восприимчивости меняеся от домена к домену (их называют также периодически поляризованными нелинейными кристаллами или кристаллами с регулярной доменной структурой).

В НФК осуществляются квазисинхронные волновыевзаимодействия, в которых волновая расстройка взаимодействующихволн ∆k компенсируется вектором обратной «нелинейной» решетки2πmK=, где Λ — период модуляции знака нелинейной восприимчиΛвости второго порядка, m = ±1, ±3, . . . — порядок квазисинхронизма.Вместе с тем одновременная реализация нескольких трехчастотных нелинейно-оптических процессов с общими волнами позволяетосуществлять значительно более сложные преобразования частот. Этопредставляет интерес с точки зрения создания компактных источниковкогерентного многочастотного излучения в широком спектральном диапазоне. Кроме того, реализация связанных параметрических процессоввызывает интерес в квантовой оптике для создания многомодовыхперепутанных состояний, которые являются важным ресурсом в квантовой информации и квантовых вычислениях.Для реализации таких взаимодействий необходимо, однако, удовлетворить условиям эффективного взаимодействия волн одновременнодля нескольких трехчастотных нелинейно-оптических процессов.

Фактически в этом случае мы имеем дело со связанными многоволновыми взаимодействиями. В однородном кристалле задача осуществлениямноговолновых взаимодействий представляет собой сложную проблему. В то же время в виду зависимости вектора обратной «нелинейной»решетки K НФК от двух параметров (Λ и m), есть возможностьреализовать несколько (обычно два) трехчастотных квазисинхронныхнелинейно-оптических процесса путем подбора этих параметров.

Такиепроцессы получили название последовательных. Однако в этом случаепорядок квазисинхронизма сильно влияет на эффективность взаимодействия, поскольку коэффициент нелинейной связи волн обратно про3порционален порядку квазисинхронизма. Кроме того, стоит заметить,что для реализации связанных взаимодействий для заданных длинволн и конкретного нелинейного кристалла не всегда удается подобратьсоответствующие период Λ и порядки квазисинхронизма.В связи с ограниченностью возможностей НФК с периодическойнелинейной структурой в последнее время ведутся поиски способовконструирования и создания новых типов структур для реализациимноговолновых процессов.

Например, протекание одновременно двухнелинейно-оптических взаимодействий волн с кратными частотами впоследние годы исследовалось в апериодических нелинейных структурах типа Фибоначчи.Реализация многоволновых квазисинхронных взаимодействий безограничения на соотношения частот взаимодействующих волн допускают апериодические НФК (АНФК), конструируемые методом суперпозиции модуляции нелинейности, который детально исследуется вдиссертационной работе (более подробно о методе см. ниже).

Являясьотносительно простым алгоритмом построения апериодической нелинейной решетки, данный метод позволяет снять ограничения, накладываемые дисперсионными характеристиками нелинейных кристаллов насовокупность возможных связанных многоволновых процессов. Помимо этого, метод допускает управление эффективными коэффициентаминелинейной связи волн, вовлеченных во взаимодействие.Особый интерес представляет реализация многоволновых процессовв активно-нелинейных кристаллах, в которых наряду с нелинейнооптическими процессами одновременно имеет место генерация лазерного излучения.2.

Цель диссертационной работыОсновной целью диссертационной работы является детальноеизучение многоволновых нелинейно-оптических процессов, реализуемых в кристаллах с апериодической нелинейной структурой,конструируемой методом суперпозиции пространственной модуляции нелинейной восприимчивости.В работе решаются следующие задачи.1.

Установление связи вида апериодической структуры с амплитудами пространственных гармоник, связанных с соответствующимквазисинхронным процессом и определяющих эффективный коэффициент нелинейной связи волн.2. Изучение процесса невырожденного параметрического усиленияпри низкочастотной накачке.3. Исследование возможности генерации высших гармоник оптического излучения с учетом полосы прозрачности АНФК LiNbO3 .4. Анализ влияния неточности создания апериодической структурына протекание многоволновых процессов в АНФК.45.

Исследование последовательных нелинейно-оптических процессов в активных НФК в режиме модуляции добротности резонатора.6. Изучение особенностей углового спектра генерации второй гармоники в периодической нелинейной структуре в схеме Лауэширокополосным лазерным излучением.3. Научная новизна1. Детально исследован метод суперпозиции модуляции нелинейнойвосприимчивости для создания АНФК и возможности управления эффективными значениями коэффициентов нелинейной связиволн в них.2. Впервые показана теоретическая возможность реализации невырожденного процесса параметрического усиления при низкочастотной накачке в АНФК и проведено его теоретическое исследование.3.

Установлена возможность эффективной генерации высших оптических гармоник в квадратично-нелинейных АНФК и формирование при их суперпозиции импульсов субфемтосекундной длительности.4. Изучено влияние неточности создания нелинейной структурынелинейно-оптических кристаллов на протекание трехчастотныхи связанных многоволновых процессов.5. Впервые теоретически исследованы последовательные процессыгенерации третьей гармоники 3ω и частоты (3/2)ω в активныхНФК в режиме модуляции добротности резонатора.6. Теоретически изучен угловой спектр излучения второй гармоники, генерируемой фемтосекундными лазерными импульсами НФКLiNbO3 в геометрии Лауэ, и проведено сравнение с результатамиэксперимента.4.

Защищаемые положения1. Апериодическая нелинейная структура, конструируемая методом суперпозиции модуляции нелинейной восприимчивости, позволяет реализовать связанные многоволновые квазисинхронныенелинейно-оптические взаимодействия.2. Метод суперпозиции модуляции нелинейной восприимчивостидопускает управление эффективными коэффициентами нелинейной связи волн на этапе конструирования нелинейной структуры.3. В апериодических нелинейных фотонных кристаллах возможноосуществить невырожденный процесс параметрического усиленияпри низкочастотной накачке и эффективную генерацию высшихоптических гармоник.4.

Нарушение условия квазисинхронизма в многоволновых взаимодействиях, обусловленное неточностью создания необходимойапериодической структуры, при экспериментально достижимых5точностях (0.9 мкм) не меняет характер энергообмена междуволнами.5. Режим модуляции добротности в многоволновых последовательных процессах самопреобразования частоты при оптимальномподборе параметров резонатора, модулятора и накачки существенно увеличивает значения средних выходных мощностейволн на преобразованных частотах по сравнению со стационарным режимом генерации.5.

Практическая значимость1. Применение многоволновых связанных взаимодействий позволяетрешать задачу миниатюризации многочастотных нелинейно-оптических преобразователей.2. Развитый метод суперпозиции модуляции нелинейной восприимчивости позволяет рассчитать параметры структуры АНФК длязаданных длин взаимодействующих волн и необходимых эффективных значений коэффициентов нелинейной связи.3. Развитый метод анализа влияния неточности создания нелинейной структуры АНФК на эффективность протекания связанныхпроцессов позволяет задать необходимую точность изготовленияапериодической структуры.4.