Генерация ультракоротких импульсов света в резонансных средах и волоконных световодах

Проанализируем это неравенство в применении к экспериментам Накадзавы и соавторов. Для TR 660 нс и T1ab 10 мс получим < 0.042 T2ab, то есть мощность накачки в эксперименте должна быть достаточной, чтобы обеспечить генерацию импульса длительностью в 24 раза короче времени фазовой релаксации. Для T2ab = 3 нс это означает, что импульсы должны быть короче 120 пс, что соответствует минимальной пиковой внутрирезонаторной мощности 500 Вт. В эксперименте накачка была слабее. Так как режим генерации импульсов мощностью ниже критической неустойчив по отношению с усилению слабого узкополосного излучения, эта неустойчивость может быть причиной, или одной из причин, по которой режим генерации солитонов СИП реализован не был.

Заметим, что в отсутствии насыщения коэффициенты затухания непрерывного излучения и солитона СИП относятся друг к другу с коэффициентом пропорциональности / T2ab (меньшим единицы). Поэтому импульсы короче времени фазовой памяти среды всегда имеют безусловное преимущество перед узкополосным излучением. Поскольку для насыщенной линии поглощения условие устойчивости более строгое, это различие указывает на необходимость учета эффектов насыщения при моделировании волоконного солитонного лазера.

Основные результаты работы.

1. Предложена аналитическая и численная модель рамановского усиления ультракоротких импульсов света в среде с V-конфигурацией уровней, накачиваемой фундаментальным солитоном СИП или солитонами высшего порядка на смежном переходе. Показано, что возможна 100 %-ая конверсия энергии солитона накачки в пробный импульс, который асимптотически преобразуется в солитон СИП. Обнаружен эффект «захвата» пробного импульса, выражающийся в том, что пробный импульс захватывается импульсом накачки, так что оба импульса распространяются с одинаковыми групповой скоростями. Продемонстрировано, что двухфотонный эффект Допплера и релаксация фазовой памяти среды делают процесс усиления пороговым: ниже порога происходит поглощение пробного поля, выше порога - его усиление. В условиях двухфотонного резонанса и присутствии однофотонного эффекта Допплера захват импульса сопровождается инициированием эффекта солитонно-индуцированной прозрачности (СОИП). Механизм прозрачности объясняется фазировкой атомных диполей в поле накачки в форме солитона СИП.

2. Разработаны аналитические и численные методы описания эффекта суперфлюоресценции (СФ) в трехуровневой среде с V-конфигурацией уровней, накачиваемых сильным квазимонохроматическим когерентным полем на одном из переходов. Показана возможность генерации ультракоротких импульсов СФ в условиях рамановского усиления. В среднем, то есть после усреднения по периоду Раби осцилляций, процесс характеризуется как СФ без инверсии населенностей.

3. Разработаны аналитические и численные методы описания взаимодействия пробного импульса с трехуровневой средой V-конфигурации, накачиваемой сильным когерентным лазерным импульсом. Обнаружен двухфотонный эффект СИП. Развита модель лазера с активной синхронизацией мод с трехуровневым когерентным усилителем. Отличительной особенностью такого лазера является генерация импульсов, характеризующихся спектром шире линии усиления двухуровневого перехода. Продемонстрированы режимы генерации без инверсии, с инверсией и рамановской генерации.

4. Разработаны аналитические и численные методы описания взаимодействия короткого импульса излучения одновременно с двухуровневыми когерентными поглотителем и усилителем. Создана модель солитонного лазера на основе эффекта СИП. Исследована устойчивость солитонного режима генерации и переходная динамика к стационарному солитонному режиму, стартуя из затравочного импульса малой амплитуды. Солитонный режим характеризуется генерацией импульсов шире линии усиления.

5. Разработаны аналитические методы описания твердотельного лазера с когерентным неоднородно-уширенным поглотителем. Создана модель твердотельного солитонного лазера на основе эффекта СИП и исследована устойчивость солитонного режима генерации. Продемонстрирована неустойчивость солитонов СИП по отношению к фазовой самомодуляции, наведенной эффектом Керра в волоконных световодах. Обнаружено, что выше определенного порога кубичной нелинейности, образование уединенных волн невозможно. Также продемонстрирована неустойчивость внутрирезонаторных солитонов СИП по отношению к возникновению непрерывного режима генерации за счет выжигания спектральных провалов в неоднородно-уширенном контуре поглощения.

Основное содержание диссертации изложено в следующих статьях

1. Kozlov V. V., Fradkin E'. E. Distortion of self-induced-transparency solitons as a result of self-phase modulation in ion-doped fibers//Optics Letters. - 1995. - Vol. 20, № 21. -- Pp. 2165-2167.

2. Козлов В.В., Фрадкин Э.Е. Влияние далекой линии поглощения на условия распространения солитона самоиндуцированной прозрачности// Известия вузов «Прикладная нелинейная динамика». - 1995. - т. 3, вып. 6.--- С. 112-119.

3. Козлов В.В., Фрадкин Э.Е. Механизм формирования импульсов самоиндуцированной прозрачности в присутствии Керровской нелинейности//ЖЭТФ. - 1996. - т. 82. - С. 46-59.

4. Kozlov V. V. Self-induced transparency soliton laser via coherent mode-locking//Physical Review A - 1997. - Vol. 56. - Pp. 1607-1612.

5. Kozlov V. V. Transformation of self-induced transparency soliton into nonlinear Schroеdinger soliton in doped fibers and semiconductor waveguides//Journal of Optical Society of America B. - 1997. - Vol. 14. - Pp. 1765-1767.

6. Kozlov V. V., Fradkin E. E. Coherent effects in ultrashort pulse propagation through an optically thick three-level medium//Письма ЖЭТФ. - 1998. - т. 68, № 5. - C. 359-363.

7. Денисова Н. В., Егоров В. С., Козлов В. В., Сердобинцев П. Ю., Фрадкин Э. Е. Просветление оптически плотной трехуровневой среды для слабого импульса при распространении 2 -импульса на смежном переходе (V-схема)//ЖЭТФ.--- 1998.--- т. 113, \no 1.--- C. 71-88.

8. Kozlov V.V., Polynkin P.G., Scully M.O. Resonant Raman amplification of ultrashort pulses in a V-type medium//Physical Review A. - 1999. - Vol. 59. - Pp. 3060-3070.

9. Козлов, В.В. Self-induced transparency soliton laser//Письма ЖЭТФ. - 1999. - т. 69, вып. 12. - С. 856-861.

10. Фрадкин Э.Е., Козлов, В.В., Воронов М.В. Индуцированная прозрачность при нестационарном комбинационном рассеянии//Квантовая электроника. - 1999. - т. 28, вып. 3. - С. 239-244.

11. Kozlov V. V., Kocharovskaya O., Scully M. O. Effective two-level Maxwell-Bloch formalism and coherent pulse propagation in a driven three-level medium//Physical Review A. - 1999. - Vol. 59, № 5. - Pp. 3986-3997.

12. Kozlov V., Kocharovskaya O., Rostovtsev Yu., Scully M. Superfluorescence without inversion in coherently driven three-level systems//Physical Review A. - 1999. - Vol. 60. - Pp. 1598-1609.

13. Kozlov V.V., Eberly J.H. Ultrashort pulses in phaseonium: the interplay between SIT and EIT//Optics Communications. - 2000. - Vol. 179. - Pp. 85-96.

14. Scully M.O., Agarwal G.S., Kocharovskaya O., Kozlov V.V., Matsko A.B. Mixed electromagnetically and self-induced transparency//Optics Express. - 2000. Vol. 8, № 2. - Pp. 66-75.

15. Eberly J.H., Kozlov V.V. Propagation of double resonance and dark area//Acta Physica Polonica A. - 2002. - Vol. 101, № 3. - Pp. 459-462.

16. Eberly J.H., Kozlov V.V. Wave equation for dark coherence in three-level media//Physical Review Letters. - 2002. - Vol. 88, № 24. - P. 243604.

17. Eberly J.H., Kozlov V.V. Propagation of short pulses in a coherently prepared Lambda medium//Laser Physics. - 2002. - Vol. 12, № 8. - Pp. 1188-1190.

18. Kozlov V.V., Scully M.O. Mode-locking in coherently driven laser systems//Journal of Modern Optics. - 2002. - Vol. 49, № 3-4. - Pp. 431-438.

19. Kozlov V.V., Wallentowitz S., Raghavan S. Ultrahigh reflection from a medium with ultraslow group velocity// Physics Letters A - 2002.- Vol. 296, , № 4-5 - Pp. 210-213.

20. Kozlov V.V., Rostovtsev Yu. and Scully M. O. Inducing quantum coherence via decays and incoherent pumping with application to population trapping, lasing without inversion and quenching of spontaneous emission//Physical Review A - 2006. - Vol. 74, № 6 - 063829, 10 pages.

22. Merkel W., Mack H., Freyberger M., Kozlov V.V., Schleich W.P., Shore B.W. Coherent transport of single atoms in optical lattices//Physical Review A - 2007. - Vol. 75, № 3 -, 033420, 14 pages.

Цитированная литература.

1. Ханин Я.И. Основы динамики лазеров. - М.: Физматлит, 1999.

2. Yariv A. Quantum electronics. 3rd ed. - New York: Wiley, 1989.

3. Herrman J., Wilhelmi B. Lasers for ultrashort light pulses.--- Berlin: Akademie, 1987.

4. Maimistov A.I., Basharov A.M. Nonlinear optical waves. - Dordrecht: Kluwer Acad. Publ., 1999.

5. Haus H.A. Modelocking of lasers//IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. - 2000. - Vol. 6. - Pp. 1173-1185.

6. Зельдович Б.Я., Кузнецова Т.И. Генерация сверхкоротких импульсов света с помощью лазеров//УФН - 1972. - Vol. 15, № 1. - С. 47-84.

7. Комаров К.П., Угожаев В.Д. Стационарные 2-импульсы при пассивной синхронизации лазерных мод//Квант. электрон. - 1984. - т. 11, № 6. С. 1167-1173.

8. Mollenauer L.F., Stolen R.H. Soliton laser//Opt. Lett. - 1984. - Vol. 9, № 1. Pp. 13-15.

9. Bloembergen N. The stimulated Raman effect//The American Journal of Physics. - 1967. - Vol. 35, № 11. - Pp. 989-1023.

10. Basov N.G. (Ed.). Stimulated Raman Scattering.- New York: Consultants Bureau, 1982.

11. Большов Л.А., Ёлкин Н.Н., Лиханский В.В., Персианцев М.И. К теории когерентного преобразования частоты ультракоротких импульсов света в резонансных средах//ЖЭТФ -1988. - т. 94, вып. 10. - С. 101-109.

12. Dicke R.H. Coherence in Spontaneous Radiation Processes//Phys. Rev. - 1954. - Vol. 93, № 1. - Pp. 99-110.

13. MacGillivray J.C., Feld M.S. Theory of superradiance in an extended optically thick medium//Phys. Rev. A. - 1976. - Vol. 14, № 3. Pp. 1169-1189.

14. Раутиан С.Г., Черноброд Б.М. Кооперативный эффект в комбинационном рассеянии света//ЖЭТФ. - 1977. - т. 72, № 4. - С. 1342-1348.

15. Трифонов Е.Д., Трошин А.С., Шамров Н.И. Кооперативное комбинационное рассеяние света//Опт. Спектр. - 1980. - т. 48, № 5. - С. 1036-1039.

16. Андреев А.В., Емельянов В.И., Ильинский Ю.А. Кооперативные явления в оптике. - М.: Наука, 1988.

17. Габитов И.П., Захаров В.Е., Михайлов А.В. Нелинейная теория суперфлюоресценции//ЖЭТФ - 1984. - т. 86. - С. 1204-1216.

18. Кочаровская О.А., Ханин Я.И. Когерентное усиление ультракороткого импульса в трехуровневой среде без инверсии населенностей//Письма ЖЭТФ. - 1988. - т. 48, вып.11.- С. 581-584.

19. Высотина Н.В., Розанов Н.Н., Семенов В.Е. Предельно короткие импульсы усиленной самоиндуцированной прозрачности//Письма ЖЭТФ.- 2006. - т. 83, вып. 7.- С. 337-340.

20. McCall S.L., Hahn E.L. Self-induced transparency by pulsed coherent light//PRL - 1967. - Vol. 18. - Pp. 908-911.

21. Аллен Л., Эберли Дж. Оптический резонанс и двухуровневые атомы. - М.: Мир, 1978.

22. Nakazawa M., Suzuki K., Kubota H., Kimura Y. Self-Q-Switching and mode locking in a 1.53-m fiber ring laser with saturable absorption in erbium-doped fiber at 4.2 K//Optics Letters. - 1993. - Vol. 18, № 8. - Pp. 613-615.