Просторова самоорганізація в нелінійних оптичних резонаторах: періодичні структури та солітони

В роботі експериментально встановлено, що залежність швидкості доменної стінки від частотної відстройки резонатора параметричного генератора світла має гістерезний характер (Рис. 17). Це означає, що Айсінгові та Блохові доменні стінки співіснують у деякому діапазоні резонаторних відстройок. Причина такого співіснування полягає у бістабільності однорідного стану пучка генерації, так що інтенсивність за межами Айсінгової доменної стінки є більшою ніж інтенсивність за межами Блохової доменної стінки.

Таким чином, в даному випадку має місце подвійна фазово-амплітудна бістабільність. Це експериментальне спостереження знайшло теоретичну підтримку при чисельному моделюванні на основі параметричного рівняння Гінзбурга-Ландау з урахуванням нелінійних членів та п'ятого порядку.

П'ятий розділ [40*-57*] присвячений дослідженню біо-полімерних нелінійних матеріалів на основі сенсибілізованої желатини та бактеріородопсину, що використовувались нами як внутрішньо-резонаторні нелінійни елементи для виконання модельних єкспериментів по резонансній просторовій самоорганізації в пасивних резонаторах (Розділ 2) та лазерах (Розділ 3).

При виконанні цих досліджень було запропоновано та реалізовано метод модуляційно-поляризаційної спектроскопії для вимірювання дійсної та уявної частин комплексних компонент тензора нелінійності, часу релаксації нелінійності та коефіцієнта дифузії матеріалу. В основі методу лежить невироджена по поляризації двохвильова взаємодія (Рис. 18), теоретичний аналіз якої показує, що в наближенні слабкої поляризаційної взаємодії двох хвиль існує досить простий зв'язок між станом поляризації хвиль на виході з нелінійного матеріалу та компонентами (дійсної та уявної) комплексної нелінійності матеріалу. Розглянуто дві конфігурації модуляційно-поляризаційного методу: когерентна (на динамічних гратках) та некогерентна (на динамічній анізотропії), які дозволяють прецизійно вимірювати стаціонарні та динамічні характеристики нелінійності центросиметричних середовищ.

При адіабатично повільній модуляції різниці фаз між ортогональними компонентами поляризації m-хвилі на вході у нелінійне середовище відбувається зміна стану поляризації r-хвилі на виході (Рис. 18, зліва). Якщо цю r-хвилю пропустити через поляризатор, то на його виході утворюється сигнал биття, амплітуда якого пропорційна модулю комплексної нелінійності, а фаза пропорційна аргументу комплексної нелінійності (Рис. 18, справа). Цей метод вимірювання нелінійності поєднує у собі переваги прецизійних інтерференційного та модуляційного методів.

За допомогою когерентного модуляційно-поляризаційного методу досліджені розчинені суспензії пурпурних мембран двох типів: природного BR_WT та генетично модифікованого BR_D96N. Завдяки величезній нелінійності останніх ((1.6±0.2)х10^-5 см²/мВт) вони були використані нами для створення насичуваних поглиначів для лазерів з жорстким порогом генерації (Розділ 2).

Для концентрованих суспензій пурпурових мембран галобактерій було знайдено новий ефективний процес голографічного запису (Рис. 19, повільна гратка), що базується на зворотному світло-індукованому зростанні трансляційної та орієнтаційної рухливості мембран та їх просторовому перерозподілі.

Основні результати та висновки

В результаті виконання дисертаційної роботи експериментально та теоретично (чисельним моделюванням) досліджено основні процеси та механізми просторової самоорганізації в пасивних нелінійних резонаторах, лазерах та чотирихвильових генераторах світла, а також експериментально доведено існування керованих резонаторних солітонів і періодичних структур різних типів, зокрема:

1. Запропоновані керовані статичні та динамічні лазерні солітони з вільною фазою, які реалізовані при інжекції некогерентних імпульсів світла у квазі-самозображаючий резонатор лазера або двохвильового фоторефрактивного генератора з насичуваним поглиначем на бактеріородопсині. Знайдено умови існування конкуруючих лазерних солітонів.

2. Експериментально показано, що при резонансному відбиванні лазерних пучків від полімерного планарного хвильовода або напівпровідникового мікрорезонатора існують бістабільні просторові амплітудні домени, межа яких визначається умовою Максвелла. Знайдено умови для односпрямованого розповсюдження автохвиль в бістабільному планарному хвильоводі.

3. Експериментально реалізовані самопідтримні резонаторні гексагони та періодичні смужки, а також яскраві/темні солітони з фіксованою фазою в оптично керованих пасивних (нижче порога лазерної генерації) напівпровідникових мікрорезонаторах при збудженні в області екситонного резонансу. Продемонстровано запис-стирання напівпровідникових солітонів як когерентними, так і некогерентними імпульсами світла. Запропоновані та реалізовані стійкі яскраві солітони, що існують при некогерентній оптичній накачці, яка близька до порога лазерної генерації.

4. Продемонстровано перехід від когерентних періодичних структур (як амплітудних гексагонів, так і періодичних фазових доменних стінок) до некогерентних кластерів амплітудних та фазових резонаторних солітонів. Експериментально реалізовано адресний запис окремих солітонів у кластери щільно упакованих резонаторних солітонів (як амплітудних, так і фазових) та їх стирання. Продемонстровано кероване поперечне зміщення ізольованих солітонів.

5. Експериментально показано існування керованих оптичних доменних стінок (як ізольованих, так і зв'язаних) та кільцевих фазових солітонів в вироджених та невироджених чотирихвильових генераторах світла. Знайдено умови збільшення (зменшення) довжини оптичної доменної стінки та формування лабіринто-подібних доменних структур (одновимірних доменних стінок).

6. На основі прецизійних вимірів установлено квадратичний закон масштабування періоду спонтанно сформованої у нелінійному оптичному резонаторі самопідтримної періодичної структури в залежності від частотної відстройки резонатора. Показано, що селекція періоду цієї структури визначається умовою резонансу для нахилених (відносно оптичної осі резонатора) хвиль.

7. Для відокремлених одновимірних фазових доменних стінок спостерігався оптичний нерівноважний перехід Айсінга-Блоха, при якому статичні Айсінгові доменні стінки перетворюються на динамічні Блохові доменні стінки. Установлено, що швидкість Блохової доменної стінки оберненопропорційна градієнту фази.

8. Запропоновано та реалізовано метод когерентної модуляційно-поляризаційної спектроскопії для вимірювання дійсної та уявної частин комплексних компонент тензора нелінійності. Знайдено ефективний процес голографічного запису, що базується на зворотному світло-індукованому зростанні трансляційної та орієнтаційної рухливості пурпурових мембран галобактерій.

Список використаних джерел

McLaughlin D.W., Moloney J.V., Newell A.C. Solitary waves as fixed points of infinite-dimensional maps in an optical bistable ring cavity // Phys. Rev. Lett.-1983.-vol.51.P.75-78.

2. Розанов Н.Н., Ходова Г.В. Автосолитоны в бистабильных интерферометрах // Оптика и спектроскопия-1988.-т.65.-С.1375-1376.

3. Апанасевич С.П., Карпушко Ф.В., Синицын Г.В. Пространственный гистерезис и волны переключения в тонкопленочных полупроводниковых интерферометрах // Квантовая электроника.-1985.-т.12.-C.387-390.

4. Cross M.C., Hohenberg P.C. Pattern formation outside of equilibrium // Rev. Mod. Phys.-1993.-vol.65.-P.851-1112.

5. McDonald G.S., Firth W.J. Spatial solitary wave optical memory // J. Opt. Soc. Amer. B.-1990.-vol.7.-P.1328-1335.

6. Tlidi M., Mandel P. Lefer R. Localized structures and localized patterns in optical bistability // Phys. Rev. Lett.-1994.-vol.73.-P.640-643.

7. Staliunas K., Sanchez-Morcillo V.J. Localized structures in degenerate optical parametric oscillators // Opt. Commun.-1997.-vol.139.-P.306-312.

8. Spinelli L., Tissoni G., Brambilla M., Prati F., Lugiato L.A. Spatial solitons in semiconductor microcavities // Phys. Rev. A.-1998.-vol.58.-P.2542-2559.

9. Васнецов М.В., Тараненко В.Б. Пространственно-распределенная бистабильность и конкуренция сигналов в активном резонаторе с фотохромной нелинейностью // XIV Международная конференция по когерентной и нелинейной оптике - Ленинград, 1991.-Тезисы.-ч.1.-C.145-146.

10. Coullet P., Gil L., Rocca F. Optical vortices // Opt. Commun.-1989.-vol.73.-P.403-408.

11. Michaelis D., Peschel U., Lederer F. Multistable localized structures and superlattices in semiconductor optical resonators // Phys. Rev. A.-1997.-vol.56.-P.R3366-R3369.

12. de Valcarcel G.J., Staliunas K. Excitation of phase patterns and spatial solitons via two-frequency forcing of a 1:1 resonance // Phys. Rev. E.-2003.-vol.67.-P.026604/1-4.

Список публікацій автора по змісту дисертації

1*. Bazhenov V.Yu., Soskin M.S., Taranenko V.B., Vasnetsov M.V. Biopolymers for real-time optical processing // Optical Processing and Computing. - Boston: Academic Press, 1989. - P.103-144.

2*. Weiss C.O., Vaupel M., Staliunas K., Slekys G., Taranenko V.B. Vortices and solitons in lasers // Appl. Phys. B.-1999.-vol.68.-P.151-168. Invited Paper

3*. Weiss C.O., Taranenko V.B., Vaupel M., Staliunas K., Slekys G., Tarroja M.F.H. Spatial solitons in nonlinear resonators // Soliton-driven Photonics. - Netherlands: Kluwer Academic Publishers, 2001. - P.169-210.

4*. Weiss C.O., Slekys G., Taranenko V.B., Staliunas K., Kuszelewicz R. Spatial solitons in resonators // Spatial Solitons. - Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag, 2001. - P.395-416.

5*. Taranenko V.B., Slekys G., Weiss C.O. Spatial Resonator Solitons // Dissipative Solitons. - Heidelberg: Springer-Verlag GmbH, 2005. - P.131 - 160.

6*. Баженов В.Ю., Соскин М.С., Тараненко В.Б. Фазово-поляризационные характеристики света, отраженного от планарного волновода // Квантовая электроника.-1986.-т.13, №2.-C.245-247.

7*. Баженов В.Ю., Соскин М.С., Тараненко В.Б. Пространственный гистерезис и волны переключения в нелинейном планарном волноводе // Квантовая электроника.-1986.-т.13, №11.-C.2325-2328.

8*. Taranenko V.B., Weiss C.O., Schaepers B. From coherent to incoherent hexogonal patterns in semiconductor resonators // Phys. Rev. A.-2002.-vol.65.-P.013812/1-4.

9*. Taranenko V.B., Weiss C.O., Stolz W. Semiconductor resonator solitons above band gap // J. Opt. Soc. Am. B.-2002.-vol.19.-P.684-688.

10*. Taranenko V.B., Weiss C.O. Spatial solitons in semiconductor microresonators // IEEE J. STQE.-2002.-vol.8, No.3.-P.488-496. Invited Paper

11*. Taranenko V. B., Ahlers F.-J., Pierz K. Coherent switching of semiconductor resonator solitons // Appl. Phys. B.-2002.-vol.75.-P.75-77.

12*. Taranenko V.B., Weiss C.O. Spatial semiconductor-resonator solitons // Optical Solitons. - Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag GmbH, 2003. - P.373-390.

13*. Taranenko V.B., Slekys G., Weiss C.O. Spatial resonator solitons // Chaos.-2003.-vol.13.-P.777-790.

14*. Баженов В.Ю., Соскин М.С., Тараненко В.Б. Самовоздействие и бистабильность в нелинейном планарном волноводе // ЖТФ-1986.-т.56, в.4.-C.788-790.

15*. Taranenko V.B., Ganne I., Kuszelewicz R.J., Weiss C.O. Patterns and localized structures in bistable semiconductor resonators // Phys. Rev. A.-2000.-vol.61.-P.063818/1-5.

16*. Taranenko V.B., Ganne I., Kuszelewicz R., Weiss C.O. Spatial solitons in a semiconductor microresonator // Appl. Phys. B.-2001.-vol.72.-P.377-380.

17*. Taranenko V.B., Weiss C.O. Incoherent optical switching of semiconductor resonator solitons // Appl. Phys. B.-2001.-vol.72.-P.893-895.

18*. Taranenko V.B., Weiss C.O., Stolz W. Spatial solitons in a pumped semiconductor resonator // Opt. Lett.-2001.-vol.26, № 20.-P.1574-1576.

19*. Bazhenov V.Yu., Bogatov A.P., Eliseev P.G., Okhotnikov O.G., Pak G.T., Rakhnalsky M.P., Soskin M.S., Taranenko V.B., Khairetdinov K.A. Bistable operation and spectral tuning of injection laser with external dispersive cavity // IEE proc.-1982.-vol.129, N2, Pt.I.-P.77-82.

20*. Багатов А.П., Баженов В.Ю., Елисеев П.Г., Охотников О.Г., Пак Г.Т., Рахвальский М.П., Соскин М.С., Тараненко В.Б., Хайретдинов К.А. Бистабильный режим и спектральная перестройка в инжекционном лазере с внешним дисперсионным резонатором // Квантовая электроника.-1981.-т.8, №4.-С.853-859.

21*. Акульшин А.М., Величанский В.Л., Зверков М.В., Зибров А.С., Никитин В.В., Охотников О.Г., Саутенков В.А., Сенков Н.В., Тараненко В.Б., Юркин Е.К. Эффективный метод плавной перестройки частоты инжекционного лазера с внешним дисперсионным резонатором // Письма в ЖТФ.-1985.-т.11, в.13.-C.777-780.

22*. Баженов В.Ю., Беловолов М.И., Дианов Е.М., Дураев В.П., Крюков А.П., Пенчева В.Х., Тараненко В.Б., Швейкин В.И. Исследование пространственных характеристик одночастотных полупроводниковых лазеров с высоким спектральным разрешением // Письма в ЖТФ.-1987.-т.13, в.12.-C.718-723.

23*. Васнецов М.В., Тараненко В.Б. Стационарная генерация в системе связанных резонаторов с общим усилителем // Квантовая электроника.-1989.-т.16, №9.-C.1843-1846.

24*. Amman F.E., Herden A., Tschudi T., Taranenko V.B. Coupling channels in a photorefractive ring-resonator containing gain by two-wave-mixing // Ferroelectrics.-1989.-vol.92.-P.301.

25*. Корчемская Е.Я., Соскин М.С., Тараненко В.Б. Усиление контраста маломощных оптических сигналов при нелинейном поглощении в средах на основе бактериородопсина // Квантовая электроника.-1990.-т.17.-C.448-449.

26*. Taranenko V.B., Vasnetsov M.V. Optical bistability and signal competition in active cavity with photochromic nonlinearity of bacteriorhodopsin // SPIE proc.-1991.-vol.1621.-P.169-179.

27*. Васнецов М.В., Тараненко В.Б. Оптическая бистабильность в активном резонаторе с фотохромной нелинейностью бактериородопсина // Квантовая электроника.-1991.-т.17.-C.1354-1356.

28*. Баженов В.Ю., Васнецов М.В., Тараненко В.Б. Конкуренция оптических сигналов в связанных кольцевых резонаторах с общим усилителем на фоторефрактивном кристалле // Автометрия.-1992.-vol.6.-P.101-106.

29*. Bazhenov V.Yu., Taranenko V.B., Vasnetsov M.V. Optical switching in bistable active cavity containing nonlinear absorber on bacteriorhodopsin // SPIE proc.-1993.-vol.853.-P.199-205.

30*. Bazhenov V.Yu., Taranenko V.B., Vasnetsov M.V. WTA-dynamics in large aperture active cavity with saturable absorber // SPIE proc.-1992.-vol.1806.-P.14-21.

31*. Bazhenov V.Yu., Taranenko V.B., Vasnetsov M.V. Optical bistability in active cavity with transversal diffractional matching // SPIE proc.-1992.-vol.1807.-P.181-187.

32*. Taranenko V.B., Staliunas K., Weiss C.O. Spatial soliton laser emission: Localized structures in lasers with saturable absorber in self-imaging resonator geometry // Phys. Rev. A.-1997.-vol.56.-P.1582 - 1591.

33*. Staliunas K., Taranenko V.B., Slekys G., Viselga R., Weiss C.O. Moving spatial solitons in active nonlinear-optical resonators // Phys. Rev. A.-1998.-vol.57.-C.599-564.

34*. Taranenko V.B., Esteban-Martнn A., Roldбn E., de Valcбrcel G.J. Experimental rocking of a laser-like system: From vortices to phase domains // EQEC-Europe - Munich, Germany, 2005.-Technical Digest.-P.EС-604.

35*. Taranenko V.B., Staliunas K., Weiss C.O. Pattern formation and localized structures in degenerate optical parametric mixing // Phys. Rev. Lett.-1998.-vol.81.-P.2236 - 2239.

36*. Taranenko V.B., Zander M., Wobben P., Weiss C.O. Stability of localized structures in degenerated wave mixing // Appl. Phys. B.-1999.-vol.69.-P.337-339.

37*. Esteban-Martin A., Garcia J., Roldan E., Taranenko V.B., de Valcarcel G.J., Weiss C.O. Experimental approach to transverse wave-number selection in cavity nonlinear optics // Phys. Rev. A.-2004.-vol.69.-P.033816/1-8.

38*. Esteban-Martнn A., Taranenko V.B., Garcнa J., de Valcбrcel G.J., Roldбn E. Controlled observation of a nonequilibrium Ising-Bloch transition in a nonlinear optical cavity // Phys. Rev. Lett.-2005.-vol.94.-P.223903/1-4.

39*. Esteban-Martнn A., Taranenko V.B., Roldбn E., de Valcбrcel G.J. Control and steering of phase domain walls // Opt. Express.-2005.-vol.13.-P.3631-3636.

40*. Bazhenov V.Yu., Kulikovskaya O.A., Taranenko V.B. Nonlinear coherent polarimetry for measuring the complex nonlinear index // Opt. Lett.-1994.-vol.19.-P.381-383.

41*. Krasnogholovets V.V., Taranenko V.B., Tomchuk P.M., Procenko M.A. Molecular mechanism of light-induced proton transport in bacteriorhodopsin // J. Molecul. Struct.-1995.-vol.355.-P.219-228.

42*. Taranenko V.B., Bazhenov V.Yu., Krasnogholovets V.V. Photoactivity of bacteriorhodopsin: properties, mechanisms and applications // Photoactive Organic Materials. - Dordreht, Boston, London: Kluwer Academic Publishers, 1996. - P.343-360.

43*. Taranenko V.B., Bazhenov V.Yu., Kulikovskaya O.A. Nonlinear polarization-modulated spectroscopy of bacteriorhodopsin and its analogues // Pure Appl. Opt.-1996.-vol.5.-P.731-745.

44*. Баженов В.Ю., Куликовская О.А., Тараненко В.Б. Нелинейная модуляционная эллипсометрия анизотропных динамических фотохромных сред // УФЖ.-1993.-т.38, №1.-C.7-9.

45*. Баженов В.Ю., Куликовская О.А., Тараненко В.Б., Шишкалова Е.В. Измерение нелинейности фотохромных сред на основе нестационарного преобразования поляризации при двухпучковом взаимодействии // УФЖ.-1992.-т.37, №10.-C.1475-1481.

46*. Всеволодов Н.Н., Дюкова Т.В., Жердиенко В.В., Корчемская Е.Я., Лесник С.А., Никитин В.И., Соскин М.С., Тараненко В.Б., Хижняк А.И. Попутное четырех-пучковое взаимодействие в пленках биохром // Биологические светочувствительные комплексы и оптическая запись информации. - Пущино, 1985. С.119-123.

47*. Nikolova N., Stoyanova K., Todorov T., Taranenko V. Polarization wavefront conjugation by means of transient holograms in rigid dye solution // Opt. communic.-1987.-vol.64, №1.-P.75-80.

48*. Куликовская О.А., Тараненко В.Б., Шишкалова Е.В. Нелинейное преобразование поляризации при вырожденном двухпучковом взаимодействии как метод диагностики динамических фотохромных сред // УФЖ.-1992.-т.37, №4.-C.551-557.

49*. Баженов В.Ю., Бурыкин Н.М., Васнецов М.В., Волков С.В., Соскин М.С., Тараненко В.Б. Исследование процессов образования объемных фазовых голограмм в слоях бихромированной желатины // УФЖ-1982.-т.27, №1.-C.30-36.

50*. Баженов В.Ю., Бурыкин Н.М., Васнецов М.В., Соскин М.С., Тараненко В.Б. Голографическая запись в бихромированной желатине // Автометрия.-1983.-№5.-C.3-9.

51*. Burykin N.M., Dukova T.V., Korchemskaya E.Ya., Soskin M.S., Taranenko V.B., Vsevolodov N.N. Photoinduced anisotropy of biochrom films // Opt. communic.-1985.-vol.54, №2.-P.68-70.

52*. Баженов В.Ю., Березин Н.В., Бурыкин Н.М., Еремеев Н., Казанская Н.Ф., Соскин М.С., Тараненко В.Б. Запись объмных голограмм в желатине на основе фотосшивания диазидами // УФЖ-1986.-т.31, №2.-C.193-195.

53*. Баженов В.Ю., Всеволодов Н.Н., Дюкова Т.В., Соскин М.С., Тараненко В.Б. Амплитудно-поляризационное самовоздействие в нелинейном интерферометре Фабри-Перо с пленкой биохром // Биологические светочувствительные комплексы и оптическая запись информации. - Пущино, 1985. С.123-129.

54*. Всеволодов Н.Н., Иваницкий Г.Р., Соскин М.С., Тараненко В.Б. Биохром - реверсивная среда для записи оптической информации // Автометрия.-1986.- №2.-C.41-48.

55*. Бойко С.А., Лисица М.П., Соскин М.С., Тараненко В.Б., Шпак А.М. ОВФ при поляризационном взаимодействии в кристаллах KCl с F_A(Li) центрами // УФЖ.-1986.-т.31, №7.-С.976-978.

56*. Корчемская Е.Я., Соскин М.С., Тараненко В.Б. Пространственно-поляризационное ОВФ при четырехволновом смешении в пленках биохром // Квантовая электроника.-1987.-т.14.-C.714-721.

57*. Баженов В.Ю., Соскин М.С., Тараненко В.Б. Голографическая запись непрерывным излучением в суспензии пурпурных мембран галобактерий // Письма в ЖТФ.-1987.-в.13, №15.-C.918-922.

Размещено на Allbest.ru