Автореферат (1145376), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Îñíîâíûå ðåçóëüòàòû, ïðåäñòàâëåííûå â äèññåðòàöèè, ïîëó÷åíû àâòîðîì ëè÷íî.  ðàáîòàõ, îïóáëèêîâàííûõ â ñîàâòîðñòâå, â ìàòåðèàëû äèññåðòàöèèâêëþ÷åíû òîëüêî òå ðåçóëüòàòû èññëåäîâàíèé, â ïîëó÷åíèè êîòîðûõ äèññåðòàíòó ïðèíàäëåæèò îïðåäåëÿþùàÿ ðîëü.10Ñòðóêòóðà è îáúåì äèññåðòàöèè. Äèññåðòàöèÿ ñîñòîèò èç ââåäåíèÿ, ñåìè ãëàâ, çàêëþ÷åíèÿ è îäíîãî ïðèëîæåíèÿ. Ïîëíûé îáúåì äèññåðòàöèîííîé ðàáîòû ñîñòàâëÿåò 269ñòðàíèö, â òîì ÷èñëå 47 ðèñóíêîâ è 195 íàèìåíîâàíèé â ñïèñêå ëèòåðàòóðû.Ñîäåðæàíèå ðàáîòûÂî Ââåäåíèè îáîñíîâûâàåòñÿ àêòóàëüíîñòü ðàáîòû, îáñóæäàþòñÿ ìåõàíèçìûôîðìèðîâàíèÿ ñæàòîãî è ïåðåïóòàííîãî ñâåòà, âàæíîñòü ó÷åòà ïîëîñû ñæàòèÿ êàê íàñòàäèè ïîñòðîåíèÿ àäåêâàòíûõ ôèçè÷åñêèõ ìîäåëåé èñòî÷íèêîâ, òàê è ïðè îáñóæäåíèè èñïîëüçîâàíèÿ òàêîãî ñâåòà â èíôîðìàöèîííûõ ïðèëîæåíèÿõ.
Îáîñíîâûâàåòñÿ çíà÷èìîñòüÿ÷ååê êâàíòîâîé ïàìÿòè äëÿ ïåðåäà÷è êâàíòîâûõ ñèãíàëîâ íà áîëüøèå ðàññòîÿíèÿ. Ñôîðìóëèðîâàíû îñíîâíûå õàðàêòåðèñòèêè ðàáîòû.Ïåðâûå ÷åòûðå ãëàâû äèññåðòàöèè ïîñâÿùåíû ïîñòðîåíèþ è àíàëèçó ìîäåëåé ÷åòûðåõ èñòî÷íèêîâ ÿðêîãî øèðîêîïîëîñíîãî ñâåòà ñ ðàçëè÷íûìè êâàíòîâûìè îñîáåííîñòÿìè.Ïåðâàÿ ãëàâà ïîñâÿùåíà ïîñòðîåíèþ êâàíòîâîé ìîäåëè âèêñåëà (Vertical-CavitySurface-Emitting Laser) - ïîëóïðîâîäíèêîâîãî ëàçåðà íà êâàíòîâûõ ÿìàõ è àíàëèçóêâàíòîâî-ñòàòèñòè÷åñêèõ è äèíàìè÷åñêèõ ñâîéñòâ åãî èçëó÷åíèÿ. Èíòåðåñ ê âèêñåëó îáóñëîâëåí ïðåæäå âñåãî òåì, ÷òî â íåì äîâîëüíî ëåãêî îðãàíèçîâàòü ðåãóëÿðíóþ ñòàòèñòèêóíàêà÷êè. Êðîìå òîãî îí îáëàäàåò âûñîêîé êâàíòîâîé ýôôåêòèâíîñòüþ, íèçêèì ïîðîãîìãåíåðàöèè è ìîæåò ðàáîòàòü â îäíîìîäîâîì ðåæèìå.
Òåîðåòè÷åñêîå îïèñàíèå âèêñåëà áàçèðóåòñÿ íà ñîïîñòàâëåíèè çîííîé ñòðóêòóðû ïîëóïðîâîäíèêîâîãî êðèñòàëëà ÷åòûðåõóðîâíåâîé ýíåðãåòè÷åñêîé ñõåìå (ñì. ðèñ. 1). Âåðõíèå ñîñòîÿíèÿ ðàñïàäàþòñÿ ñî ñêîðîñòüþγ1 , íèæíèå - ñî ñêîðîñòüþ γ2 ≫ γ1 . Ñêîðîñòü ðàñïàäà êîãåðåíòíîñòè ìåæäó ëàçåðíûìèóðîâíÿìè ïðåäïîëàãàåòñÿ ðàâíîé γ⊥ ≥ (γ1 + γ2 )/2. Íàêà÷êà îñóùåñòâëÿåòñÿ ýëåêòðè÷åñêèì òîêîì ÷åðåç n-p ïåðåõîä, ýòî íåêîãåðåíòíîå âîçáóæäåíèå òîëüêî íà âåðõíèå óðîâíèñî ñðåäíåé ñêîðîñòüþ 2µ. Ïåðåõîäû |1+ ⟩ ⇔ |2+ ⟩ è |1− ⟩ ⇔ |2− ⟩ îñóùåñòâëÿþòñÿ ïðàâîè ëåâî-öèðêóëÿðíî ïîëÿðèçîâàííûìè ýëåêòðîìàãíèòíûìè âîëíàìè.
Âàæíóþ ðîëü â ïîñòðîåíèè êâàíòîâî-ñòàòèñòè÷åñêîé ìîäåëè âèêñåëà èãðàåò ýôôåêò ïåðåâîðà÷èâàíèÿ ñïèíîâ (spin-ip), ñâÿçàííûé ñ îáìåíîì âîçáóæäåíèÿìè ïîäóðîâíåé + è − ñî ñêîðîñòüþ γc .Ýòîò ýôôåêò ïðèâîäèò ê ïîÿâëåíèþ äîïîëíèòåëüíûõ øóìîâ â èçëó÷åíèè. Ìîäåëü ñòðîèòñÿ ñ ó÷åòîì íàëè÷èÿ äâîéíîãî ëó÷åïðåëîìëåíèÿ è äèõðîèçìà â êðèñòàëëå. Àêòèâíàÿ11Ðèñ. 2: Ñïåêòðû ôëóêòóàöèé ôîòîòîêîâÐèñ. 1: ×åòûðåõóðîâíåâàÿ ñõåìà àêòèâ-ïðè èçìåðåíèè ïàðàìåòðîâ Ñòîêñà S1 , S2íîé ñðåäû â âèêñåëå.è S3 .ñðåäà ïîìåùàåòñÿ â âûñîêîäîáðîòíûé ðåçîíàòîð, âûäåëÿþùèé äâå ìîäû ñ ïðèáëèçèòåëüíî ðàâíûìè ÷àñòîòàìè è îðòîãîíàëüíûìè öèðêóëÿðíûìè ïîëÿðèçàöèÿìè.Çàäà÷à ðåøàåòñÿ â ôîðìàëèçìå óðàâíåíèé Ãàéçåíáåðãà-Ëàíæåâåíà.
Ïðîèçâîäÿàäèàáàòè÷åñêîå èñêëþ÷åíèå áûñòðûõ ïåðåìåííûõ, ìû àíàëèçèðóåì ñòàöèîíàðíûå ðåøåíèÿ è èññëåäóåì ëèíåéíûå ôëóêòóàöèè èçëó÷åíèÿ ñïåðâà íà ÿçûêå ñïåêòðàëüíûõ êâàäðàòóð ïîëÿ, à çàòåì - ñ ïîìîùüþ êâàíòîâûõ ïàðàìåòðîâ Ñòîêñà. Çàïèñàâ àíàëèòè÷åñêèåâûðàæåíèÿ äëÿ ñïåêòðîâ ôëóêòóàöèé êâàíòîâûõ ïàðàìåòðîâ Ñòîêñà è ïðîàíàëèçèðîâàâ,â êàêèõ èçìåðèòåëüíûõ ñõåìàõ îíè ìîãóò íàáëþäàòüñÿ, ìû ïîêàçàëè, ÷òî èçëó÷åíèå âèêñåëà îêàçûâàåòñÿ ïîëÿðèçàöèîííî ñæàòûì îòíîñèòåëüíî ïàðàìåòðà S1 , â òîì ñëó÷àå,êîãäà ëàçåð âîçáóæäàåòñÿ ðåãóëÿðíîé íàêà÷êîé. Íà ðèñ. 2 ïîñòðîåíû ñïåêòðû ôëóêòóàöèé ôîòîòîêîâ ïðè èçìåðåíèè ïàðàìåòðîâ Ñòîêñà S1 , S2 è S3 ïðè âûáðàííûõ çíà÷åíèÿõïàðàìåòðîâ ëàçåðà; ïðîâàë íèæå íóëÿ ñîîòâåòñòâóåò ïîäàâëåíèþ óðîâíÿ äðîáîâîãî øóìàíèæå ñòàíäàðòíîãî êâàíòîâîãî ïðåäåëà.Ïðè÷èíîé âîçíèêíîâåíèÿ ïîëÿðèçàöèîííîãî ñæàòèÿ â âèêñåëå ÿâëÿåòñÿ ñóáïóàññîíîâñêàÿ ñòàòèñòèêà èçëó÷åíèÿ.
Îäíàêî ñëåäóåò îòìåòèòü, ÷òî âçàèìîñâÿçü ìåæäó ðåãóëÿðíîé ñòàòèñòèêîé íàêà÷êè è ñóáïóàññîíîâñêîé ñòàòèñòèêîé ôîòîíîâ â âèêñåëå íå ÿâëÿåòñÿîäíîçíà÷íîé èç-çà ñëó÷àéíîãî çàñåëåíèÿ êàæäîãî èç ïîäóðîâíåé, îïðåäåëÿåìîãî ýôôåêòîìïåðåâîðà÷èâàíèÿ ñïèíà. Âàæíîñòü ýòîãî ôàêòîðà ìû äåìîíñòðèðóåì íà ïðèìåðå âèêñåëàñ îäèíàêîâûìè âðåìåíàìè æèçíè óðîâíåé. Êðîìå òîãî, íà ïðèìåðå äàííîé êîíôèãóðàöèèâèêñåëà ìû óáåæäàåìñÿ â íåñîñòîÿòåëüíîñòè ôåíîìåíîëîãè÷åñêîé ìîäåëè [28] äëÿ îïèñàíèÿ êâàíòîâî-ñòàòèñòè÷åñêèõ ñâîéñòâ èçëó÷åíèÿ.12Âî âòîðîé ãëàâå èññëåäóåòñÿ äðóãîé èñòî÷íèê øèðîêîïîëîñíîãî ÿðêîãî íåêëàññè÷åñêîãî ñâåòà TROPO (Triply Resonant Optical Parametric Oscillator) îïòè÷åñêèé ïàðàìåòðè÷åñêèé ãåíåðàòîð ñâåòà, ðàáîòàþùèé â íåâûðîæäåííîì íàäïîðîãîâîì ðåæèìå. Âîñíîâå ðàáîòû òàêîãî ãåíåðàòîðà ëåæèò ïðîöåññ ïàðàìåòðè÷åñêîãî ïðåîáðàçîâàíèÿ ôîòîíîâ: ôîòîí íàêà÷êè êîíâåðòèðóåòñÿ â äâà ôîòîíà ñ ðàçíûìè ÷àñòîòàìè - ñèãíàëüíûé èõîëîñòîé.
Òàêîé ïðîöåññ ðåàëèçóåòñÿ â êðèñòàëëàõ ñ êâàäðàòè÷íîé íåëèíåéíîñòüþ. Ìûïîëàãàåì, ÷òî êðèñòàëë ïîìåùåí â âûñîêîäîáðîòíûé ðåçîíàòîð òàêèì îáðàçîì, ÷òî âñåòðè ìîäû (íàêà÷êà, ñèãíàëüíàÿ è õîëîñòàÿ) íàõîäÿòñÿ â ðåçîíàíñå ñ ýòèì ðåçîíàòîðîì,à ñîîòâåòñòâóþùèå ïîëÿ ðàññìàòðèâàþòñÿ êàê êâàíòîâûå. Òàêîé ïðîöåññ îïèñûâàåòñÿ ãàìèëüòîíèàíîì âçàèìîäåéñòâèÿ V̂ = i~g(âp â†i â†s)− ý.c. , ãäå îïåðàòîðû â ↠ñ ñîîòâåòñòâóþ-ùèìè èíäåêñàìè - îïåðàòîðû óíè÷òîæåíèÿ è ðîæäåíèÿ ôîòîíîâ â ìîäàõ íàêà÷êè (pump),õîëîñòîé (idler) è ñèãíàëüíîé (signal). Êàæäàÿ èç òðåõ ìîä âîçáóæäàåòñÿ âíåøíèì ïîëåì,ïðèòîì êîãåðåíòíîå âîçáóæäåíèå õîëîñòîé è ñèãíàëüíîé âîëí âêëþ÷àåòñÿ â ìîäåëü äëÿïîäàâëåíèÿ ôàçîâîé äèôôóçèè, êîòîðàÿ èíà÷å îáÿçàòåëüíî èìååò ìåñòî â ñëó÷àå íåâûðîæäåííîé ïàðàìåòðè÷åñêîé ãåíåðàöèè.Çàäà÷à ðåøàåòñÿ íà îñíîâå äèàãîíàëüíîãî ïðåäñòàâëåíèÿ Ãëàóáåðà, ñòðîèòñÿôóíêöèÿ ðàñïðåäåëåíèÿ êâàçè-âåðîÿòíîñòè Ãëàóáåðà è àíàëèçèðóþòñÿ åå ñâîéñòâà, â ÷àñòíîñòè âèäíî, ÷òî ðàñïðåäåëåíèå ôàêòîðèçóåòñÿ, ñóììàðíûå è ðàçíîñòíûå ôëóêòóàöèèîêàçûâàþòñÿ íåçàâèñèìûìè, îäíàêî ôëóêòóàöèè ìîäû íàêà÷êè ñòàòèñòè÷åñêè ñâÿçàíûñ ôëóêòóàöèÿìè ñèãíàëüíîé è õîëîñòîé âîëí.
Ìû íàõîäèì ñïåêòðàëüíûå ïëîòíîñòè øóìîâ äëÿ àìïëèòóäíûõ è ôàçîâûõ ôëóêòóàöèé âíóòðè è ñíàðóæè ðåçîíàòîðà. Àíàëèçèðóÿêâàíòîâî-ñòàòèñòè÷åñêèå ñâîéñòâà èçëó÷åíèÿ â çàâèñèìîñòè îò ìîùíîñòè ïîëÿ íàêà÷êè,ìû ïðèõîäèì ê ñëåäóþùèì âûâîäàì: îêîëî ïîðîãà ãåíåðàöèè ñèãíàëüíàÿ âîëíà è õîëîñòàÿâîëíà ïåðåïóòàíû; âûñîêî íàä ïîðîãîì ãåíåðàöèè è ñèãíàëüíàÿ âîëíà è õîëîñòàÿ âîëíààìïëèòóäíî ñæàòûôàçîâî ñæàòàíàïîëîâèíó ïî ñðàâíåíèþ ñ êîãåðåíòíûì ñîñòîÿíèåì; âîëíà íàêà÷êèíàïîëîâèíó ïî ñðàâíåíèþ ñ êîãåðåíòíûì ñîñòîÿíèåì ïðè ïðîìåæóòî÷íûõçíà÷åíèÿõ íàêà÷êè µp ≈ 2.Ñòðîèòñÿ êîâàðèàöèîííàÿ ìàòðèöà, îïðåäåëÿåìàÿ ñïåêòðàëüíûìè ïëîòíîñòÿìèàìïëèòóäíûõ è ôàçîâûõ ôëóêòóàöèé, ðàçìåðíîñòè 6×6, à òàêæå êîâàðèàöèîííûå ìàòðèöû äëÿ ïîäñèñòåì, ñâÿçàííûå ñ ðàçëè÷íûìè óñëîâèÿìè íàáëþäåíèÿ.
Íà ýòîé îñíîâåîáñóæäàåòñÿ âîïðîñ î ÷èñòîòå êâàíòîâîãî ñîñòîÿíèÿ èçëó÷àåìîãî ïîëÿ, à òàêæå î ñïåêòðàëüíîé ñòåïåíè ÷èñòîòû, ò.å. î ÷èñòîòå ñîñòîÿíèÿ âûäåëåííîé ïàðû îñöèëëÿòîðîâ ñ ÷àñòîòàìè ω0 ± ω , ñèììåòðè÷íî ðàñïîëîæåííûìè îòíîñèòåëüíî ìîäîâîé ÷àñòîòû. Ìû ïîêà13çàëè, ÷òî ïðè èññëåäîâàíèè ìíîãîìîäîâûõ ïîëåé ñâÿçü ìåæäó êîâàðèàöèîííîé ìàòðèöåé èñïåêòðàëüíîé ñòåïåíüþ ÷èñòîòû äîëæíà îïðåäåëÿòüñÿ èç óñëîâèé íàáëþäåíèÿ, ïîñêîëüêóìíîãîìîäîâàÿ ïîñòàíîâêà çàäà÷è äîïóñêàåò ïîñòðîåíèå ðàçëè÷íûõ êîâàðèàöèîííûõ ìàòðèö.Ïîêàçàíî, ÷òî ðàññìàòðèâàåìûå ïîäñèñòåìû (âûäåëåííûå ïàðû îñöèëëÿòîðîâ) ìîãóò îêàçûâàòüñÿ â ñóùåñòâåííî ñìåøàííîì ñîñòîÿíèè âáëèçè ïîðîãà ãåíåðàöèè ïðè äîñòàòî÷íî ìàëîì çíà÷åíèè ïàðàìåòðà ñèíõðîíèçàöèè µ.  òî æå âðåìÿ îêàçàëîñü, ÷òî ñïåêòðàëüíàÿ ñòåïåíü ÷èñòîòû ïðè äâóõìîäîâîì íàáëþäåíèè (ò.å.
ïðè íàáëþäåíèè òîëüêî çàñèãíàëüíîé è õîëîñòîé âîëíàìè, èñêëþ÷àÿ èç ðàññìîòðåíèÿ âîëíó íàêà÷êè) âñåãäà âûøå,÷åì ïðè íàáëþäåíèè çà ïîëíîé ñèñòåìîé. Íà ïåðâûé âçãëÿä, ýòî íåîæèäàííî, ÷òî ÷èñòîòàïîäñèñòåìû îêàçûâàåòñÿ âûøå, ÷åì ÷èñòîòà ïîëíîé ñèñòåìû, îäíàêî äàííûé ðåçóëüòàòîïðåäåëÿåòñÿ íàëè÷èåì (èëè îòñóòñòâèåì) êâàíòîâûõ êîððåëÿöèé ìåæäó ïîäñèñòåìàìè.Òðåòüÿ ãëàâà ïîñâÿùåíà ïîñòðîåíèþ è èññëåäîâàíèþ ìîäåëè ñóáïóàññîíîâñêîãîëàçåðà ñ çàõâàòîì ôàçû (ÑÏË). Ïåðâîå ïðåäëîæåíèå ïî ëàçåðíîé ãåíåðàöèè ñóáïóàññîíîâñêîãî ñâåòà áûëî ñäåëàíî â 1984 ãîäó [9], à ñïóñòÿ äâà ãîäà ðåàëèçîâàíî ýêñïåðèìåíòàëüíî [11]. Îäíàêî äëÿ êâàíòîâî èíôîðìàöèîííûõ ïðèëîæåíèé ýòîò èñòî÷íèê íå ïîëó÷èëøèðîêîãî ðàñïðîñòðàíåíèÿ â ñèëó ýôôåêòà äèôôóçèè ôàçû, ïðèñóùåãî ëàçåðàì.  ñàìîìäåëå, ýëëèïñ ñæàòèÿ êîãåðåíòíîãî èçëó÷åíèÿ âðàùàåòñÿ â ôàçîâîé ïëîñêîñòè, òàê ÷òî ðåçóëüòèðóþùàÿ äèñïåðñèÿ êâàäðàòóð îêàçûâàåòñÿ ãèãàíòñêîé.
Ìû èñïîëüçîâàëè âíåøíþþèíæåêöèþ, ÷òîáû ïîäàâèòü äèôôóçèþ ôàçû. Êàê ðåçóëüòàò ïîëó÷åí õîðîøî ñæàòûé ñâåò,ñòåïåíü ñæàòèÿ êîòîðîãî îïðåäåëÿåòñÿ ðåãóëÿðíîñòüþ íàêà÷êè è ÿâëÿåòñÿ ÷àñòîòíî çàâèñèìîé.Òåîðèÿ ñôîðìóëèðîâàíà â òåðìèíàõ óðàâíåíèé Ãàéçåíáåðãà-Ëàíæåâåíà, ÷òî äåëàåò åå ïðèìåíèìîé íå òîëüêî ê ãàçîâûì, íî è ê ïîëóïðîâîäíèêîâûì ëàçåðàì, ïðåäñòàâëÿþùèì íàèáîëüøèé èíòåðåñ äëÿ êâàíòîâîé îïòèêè è êâàíòîâîé òåîðèè èíôîðìàöèè.
(Èçâåñòíî, ÷òî òåîðåòè÷åñêèé ïîäõîä, îñíîâàííûé íà ïîñòðîåíèè îñíîâíîãî óðàâíåíèÿ, ðàçðàáîòàííûé ðàíåå, ïðèìåíèì òîëüêî äëÿ ãàçîâûõ ëàçåðîâ, ãäå ñïåêòðàëüíàÿ øèðèíà ìîäûðåçîíàòîðà ìíîãî ìåíüøå, ÷åì âðåìÿ ðåëàêñàöèè àòîìíîé ñðåäû [29].) Ñëåäóåò îòìåòèòü,÷òî ãàéçåíáåðãîâ ôîðìàëèçì ê òîìó æå íàèáîëåå óäîáåí äëÿ äàëüíåéøåãî ôîðìàëüíîãîâêëþ÷åíèÿ èñòî÷íèêîâ íåêëàññè÷åñêîãî ñâåòà â èíôîðìàöèîííûå ïðîòîêîëû.Èñïîëüçîâàíèå âíåøíåãî èíæåêòèðóþùåãî ïîëÿ äëÿ ïîäàâëåíèÿ ôàçîâîé äèôôóçèè òðåáóåò îòâåòà íà ñëåäóþùèé âîïðîñ: íàñêîëüêî ñîâìåñòèìû òðåáîâàíèÿ ê âíåøíåìóñèíõðîíèçèðóþùåìó ïîëþ? Î÷åâèäíî, ÷òî îíî äîëæíî áûòü äîñòàòî÷íî ñëàáûì, ÷òîáû14íå íàâÿçàòü ñîáñòâåííóþ êîãåðåíòíóþ ñòàòèñòèêó èçëó÷åíèþ ëàçåðà è íå ðàçðóøèòü åãîêâàíòîâûå îñîáåííîñòè, è â òî æå âðåìÿ - äîñòàòî÷íî ñèëüíûì, ÷òîáû îáåñïå÷èòü ýôôåêòèâíûé çàõâàò ôàçû. Ìû ïðîàíàëèçèðîâàëè ýòè ôàêòîðû è ïîêàçàëè, ÷òî äàííûåòðåáîâàíèÿ íå ïðîòèâîðå÷èâû.
Ñòåïåíü ñæàòèÿ àìïëèòóäíîé êâàäðàòóðû îãðàíè÷èâàåòñÿñòåïåíüþ ðåãóëÿðíîñòè íàêà÷êè, à â ñëó÷àå ïîëíîñòüþ ðåãóëÿðíîé íàêà÷êè - ìîùíîñòüþñèíõðîíèçèðóþùåãî ïîëÿ. ýòîé æå ãëàâå ðàññìîòðåíà ãåíåðàöèÿ ôàçîâî-ñæàòîãî èçëó÷åíèÿ âûðîæäåííûì ïàðàìåòðè÷åñêèì ãåíåðàòîðîì ñâåòà (ÂÏÃÑ), ðàáîòàþùèì â íàäïîðîãîâîì ðåæèìå.Óáåäèâøèñü, ÷òî ñòåïåíü ñæàòèÿ âîçðàñòàåò ïðè ïðèáëèæåíèè ê ïîðîãó ãåíåðàöèè, ìûïðîàíàëèçèðîâàëè ñêîëü áëèçêèå ê ïîðîãó ãåíåðàöèè çíà÷åíèÿ ïàðàìåòðà íàêà÷êè µ ìûìîæåì îáñóæäàòü.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
