Спектрально-временные преобразования сверхкоротких лазерных импульсов в микроструктурированных световодах, страница 2

Микроструктурированные световоды со специально сформированным профилемдисперсии позволяют осуществить широкополосную высокоточную компенсацию эффектовдисперсии высоких порядков в волоконных лазерных источниках сверхкоротких импульсов.II. Явление солитонного сдвига частоты в микроструктурированных световодах открываетвозможности плавной управляемой перестройки несущей частоты предельно коротких лазерныхимпульсов, состоящих из нескольких циклов светового поля. Показана возможность полностьюоптической синхронизации накачки и затравки в системах оптического параметрическогоусиления таких импульсов.III. Полые фотонно-кристаллические световоды позволяют сформировать оптическиесолитоны гигаваттного уровня пиковой мощности и обеспечивают широкополосный фазовыйсинхронизм для процесса генерации оптических гармоник лазерного излучения в далекойультрафиолетовой и мягкой рентгеновской областях спектра.IV.

Активным формированием профиля дисперсии микроструктурированных световодов сдиэлектрической и полой сердцевиной удается реализовать высокоэффективное преобразованиечастоты сверхкоротких лазерных импульсов за счет многоволнового взаимодействия различныхволноводных мод, локализованных в сердцевине МС-волокна. Показана возможность созданияМС-световодных систем, совмещающих в себе функции нелинейно-оптического преобразователяспектра лазерных импульсов и синтезатора профиля фазы, обеспечивающего резонансноеселективное возбуждение комбинационно-активных мод.Апробация результатов диссертационной работыПо материалам диссертационной работы опубликовано 68 научных работ, из них 61статья в рецензируемых научных журналах из списка ВАК России: "ЖЭТФ", "Письма вЖЭТФ", "Оптика и Спектроскопия", "Российские нанотехнологии", "Квантоваяэлектроника", " Optics Letters ", " Physical Review A", " Physical Review E", "Journal of theOptical Society of America B: Optical Physics ", "Optics Express", "Applied Physics B (Lasers andOptics Issue)", "Laser Physics", "Laser Physics Letters", "Applied Optics", "OpticsCommunications", "Journal of Optical Technology", "Journal of Raman Spectroscopy".-4-Основные результаты исследований, представленных в диссертационной работе,докладывались на научных семинарах кафедры общей физики и волновых процессовфизического факультета МГУ им.

М.В. Ломоносова, а также на следующих международныхконференциях: 11th International Laser Physics Workshop (LPHYS2002, Братислава, Словакия,2002), Quantum Electronics and Laser Science Conference (QELS, Балтимор, штат Мэриленд,США, 2003), International Conference on Coherent and Nonlinear Optics (ICONO, СанктПетербург, Россия, 2005), The Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO®/Europe,Мюнхен, Германия, 2005), International Conference on Coherent and Nonlinear Optics (ICONO,Минск, Белоруссия, 2007), The Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO®/Europe,Мюнхен, Германия,, 2007).Список опубликованных работ автора по теме диссертации приведен в конце настоящегоавтореферата.Личный вклад автораВсе результаты оригинальных теоретических исследований получены лично автором,либо при его непосредственном участии.

Экспериментальные результаты, использованные внекоторых разделах для сравнения с теоретическими расчётами, получены в лабораториифотоники и нелинейной спектроскопии кафедры общей физики и волновых процессовфизического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова, а также в Центре фотохимии РАН, вВенском технологическом университете и Институте квантовой оптики имени Макса Планка вГархинге.Структура и объем диссертацииДиссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения. Каждая из главснабжена краткой аннотацией, состоит из нескольких основных разделов и заключения. В концеработы приведены список публикаций автора по теме диссертации, состоящий из 68 пунктов, ибиблиографический список используемой литературы, содержащий 169 наименований.

Полныйобъем диссертационной работы составляет 204 страницы, включая 93 рисунка.II. КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИВо Введении дано обоснование темы диссертационной работы, сформулированы цели инаправление исследований; показана актуальность рассматриваемой проблемы в контексте еенаучной новизны и практической значимости; сформулированы основные положения,выносимые на защиту. Приведена также структура диссертации и кратко изложено еесодержание по главам.Глава I посвящена общему обзору литературы о последних достижениях в областиоптики микроструктурированных волокон. В разделе 1.1 дана классификациямикроструктурированных волокон по принципу обеспечения волноводного режима в сердцевиневолокна и оптическим свойствам, а также проведён краткий экскурс в современнуюпроблематику нелинейной волоконной оптики сверхкоротких световых импульсов.

В разделе 1.2описаны основные оптические и нелинейно-оптические эффекты, наблюдаемые вмикроструктурированных волноводах и оказывающие существенное влияние на их свойства и-5-направления возможного применения. Заключительный раздел главы посвящён краткомурассмотрению основных методов теоретического анализа, позволяющих детальнопроанализировать пространственное распределение интенсивности электромагнитногоизлучения и свойства дисперсии волноводных мод МС-волокон с произвольной структуройсердцевины и оболочки.Рис. 1. Изображения микроструктурированных волокон в поперечном сечении: (а) — волокно с высокойоптической нелинейностью, обеспечиваемой малым диаметром сердцевины и высоким контрастомпоказателей преломления сердцевины и оболочки, (б) — полое фотонно-кристаллическое волокно, (в) —волокно с периодической оболочкой, (г) — волокно с периодической оболочкой, сердцевина которогомодифицирована системой наноразмерных отверстий.Во второй главе изложены и подробно обоснованы теоретические модели и численныеметоды, использованных в работе для описания спектрально-временной эволюциисверхкоротких лазерных импульсов в процессе распространения по МС-волокнам, а также дляанализа их оптических свойств.Анализ распространения сверхкоротких световых импульсов в общем случае требуетприменения численного анализа системы уравнений Максвелла в трёхмерном пространстве.Волноводное распространение позволяет существенно упростить задачу, и свести её кнахождению линейных свойств волноводных мод и моделированию одномерного нелинейногоуравнения распространения электромагнитных импульсов в волокне.

Раздел 2.1 посвящёнвыводу из системы уравнений Максвелла уравнения волноводного распространения в наиболееобщем виде:∂ξ ( z , ω )µωc %µo c %1 ω δ% ( z, ω )= i β (ω ) ξ ( z , ω ) + i oPNL ( z , ω ) +j f ( z, ω ) −.(1)∂z2neff (ω )2neff (ω )2 c neff (ω )Здесь β (ω ) – зависимость постоянной распространения волноводной моды от частоты,neff ( ω ) = cβ (ω ) ω – эффективный показатель преломления, а-6-ξ ( z, ω )– амплитудаспектральнойогибающейэлектромагнитногополялазерногоимпульсаr rr rE (r , z , ω ) = F (r⊥ , ω )ξ ( z , ω ) , распространяющегося в определённой волноводной моде, имеющейr rrпостоянную структуру пространственного распределения поля F (r⊥ , ω ) , где r⊥ – радиус вектор вплоскости сечения волокна. Неизменность пространственного распределения интенсивностиполя при распространении в одномодовом режиме является характерным свойствомволноводного распространения, позволяющим для решения задачи нелинейногораспространения лазерных импульсов в волокне исключить пространственную часть благодаряrrформальной процедуре преобразующей нелинейную поляризацию PNL ( z , r⊥ , ω ) , токrrrсвободных электронов j f ( z, r⊥ , ω ) , а также коэффициент фотоионизационных потерь δ ( z , r⊥ , ω ) :rP%NL ( z , ω ) =rNL⊥⊥⊥S2 r  r ∫ F ( r⊥ , ω ) dr⊥ Sδ% ( z, ω ) =2rrrr∫ P ( z, r , ω )F ( r , ω ) dr,%j f ( z , ω ) =rr∫ j ( z, r , ω )F ( r , ω ) drf⊥⊥⊥Srδ ( z, r⊥ , ω ) rr∫S ξ ( z, ω ) F ( r⊥ , ω ) dr⊥2 r  r ∫ F ( r⊥ , ω ) dr⊥ S2,.(2)22 r  r ∫ F ( r⊥ , ω ) dr⊥ SСистема уравнений (1, 2) в наиболее общем виде описывает волноводное распространениеэлектромагнитного импульса.

Причем данная модель позволяет учесть не только нелинейностьсердцевины волокна и его оболочки, так как интегралы в формулах (2) вычисляются по всемупоперечному сечению волноводной структуры S, но и влияние плазмы, возникающей поддействием электромагнитного поля импульса, что актуально в случае полого волновода. Нужнозаметить, что при выводе данного уравнения в диссертационной работе не было сделано никакихограничений на соотношение характерных времен поля (длительность импульса, длительностьцикла поля), что позволяет нам корректно описывать эволюцию электромагнитного поля навременах сравнимых, и даже короче длительности цикла электромагнитного поля.

Поэтомууравнение (1) позволяет анализировать распространение импульсов, имеющих сколь угодноширокий спектр. Формально оно позволяет учитывать совместное действие дисперсионныхэффектов всех порядков, нелинейной поляризации и ионизационной нелинейности, приводящихк фазовой само- и кроссмодуляции, эффективному преобразованию спектра импульса за счетпараметрического четырехволнового взаимодействия, самоукручению волнового фронта исамосмещению частоты.Помимо вывода уравнения волноводного распространения (1) в разделе 2.1 приведеноrrописание нелинейной поляризации среды PNL ( z , r⊥ , ω ) , и показано, что в случае волноводногораспространения основной интерес вызывает керровская нелинейность, вызваннаяангармонизмом электронного отклика и вынужденным комбинационным рассеянием навращательных переходах молекул среды.

Представлена модель Переломова-Попова-Терентьева,описывающая вероятность нелинейной фотоионизации, как в случае туннельной, так и в случаемногофотонной ионизации. Изложены принципиальные различия при моделированииволноводного распространения в случае микроструктурированных световодов с полой идиэлектрической сердцевиной.-7-В разделе 2.2 подробно рассмотрены численные методы решения задачи на собственныефункции и собственные значения волнового оператора, идеально подходящих для расчетаоптических свойств волокон с произвольной структурой поперечного сечения. Вдиссертационной работе для анализа собственных мод МС-волокон с кварцевой сердцевинойиспользовался метод разложения по системе ортогональных функций Эрмита-Гаусса [19, 50], а вслучае полых фотонно-кристаллических световодов также применялся алгоритм, использующийФурье разложение [35].Третья глава посвящена анализу оптических свойств волноводных мод и способамуправления дисперсией кварцевых МС-волокон, работающих на эффекте полного внутреннегоотражения (см.

рис. 1а-в), и полых фотонно-кристаллических волокон (см. рис. 1г),направляющих электромагнитное излучение за счет высокой отражающей способностипериодической оболочки в области фотонно-запрещённых зон.Собственные моды микроструктурированных волокон открывают широкие возможностидля передачи и управления сверхкороткими световыми импульсами [53, 57]. Ключевойхарактеристикой волноводов, при распространении импульсов, являются его дисперсионныесвойства, определяющиеся зависимостью постоянной распространения от длины волны.Свойства дисперсии волноводов определяются взаимодействием материальной и волноводнойсоставляющих.