Пространственно-временная динамика частотно-модулированных лазерных пучков в условиях проявления нестационарных когерентных эффектов и резонансного самовоздействия

• Автор: Мисюрин, Артём Геннадьевич
• Шифр специальности: 01.04.21
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Саратов
• Количество страниц: 140 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
Введение
1. Анализ динамических характеристик протяженных лазерных пучков в условиях резонансного самовоздействия
1.1 .Исследование нелинейно динамических свойств протяженных лазерных пучков и импульсов
1.2.Экспериментальные и теоретические исследования резонансного
самовоздействия
1.3.Основные принципы исследования нелинейно - динамических
систем
1.4.Заключительные замечания и выводы
2. Математическая модель распространения частотно-модулированного лазерного пучка в нелинейно оптической двухуровневой среде. Система уравнений максвелла-блоха и метод их решения
2.1.Система уравнений Максвелла-Блоха
2.2.Численный метод решения системы уравнений Максвелла-Блоха
2.3.Использование многопоточных технологий в расчетах задач распространения лазерных пучков в условиях резонансного самовоздействия
2.4.Векторизация численного алгоритма и анализ производительности технологий параллельных вычислений
2.5.Заключительные замечания и выводы
3. Исследование пространственно-временного поведения лазерных пучков, модулированных по частоте
3.1.Влияние эффектов резонансного самовоздействия на характеристики лазерного пучка
3.2.Проявление нестационарных когерентных эффектов
3.3.Нестационарная оптическая нутация в условиях резонансного самовоздействия
3.4.Заключительные замечания и выводы
4. Анализ динамических свойств частотно-модулированного лазерного пучка, распространяющегося в нелинейно-оптической среде
4.1 .Анализ нелинейной динамики лазерного пучка с модуляцией частоты в условиях резонансного самовоздействия
4.2.Анализ динамических свойств на основе вычисления старшего
показателя Ляпунова
4.3.Заключительные замечания и выводы
Заключение
Список литературы

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы
Взаимодействие лазерного излучения с нелинейно-оптической средой в условиях резонанса частоты излучения и частоты атомного перехода исследуется с момента зарождения нелинейной оптики. Результатом подобного взаимодействия, как правило, является изменение параметров распространяющихся лазерных сигналов и оптических характеристик вещества. Практическое применение данных эффектов весьма широко и разнообразно: от преобразования частот и управления амплитудой и фазой оптических сигналов до параметрических генераторов и оптических усилителей.
Развитие и постоянное совершенствование оптоволоконных линий связи давно привлекает внимание исследователей к проблеме оптимизации и повышения степени устойчивости передачи модулированных лазерных сигналов. Известен ряд работ, в которых исследуется распространение протяжённых лазерных пучков в резонансных и нерезонансных нелинейных средах (Ахманов С.А., Сухоруков А.П., Луговой В.Н., Прохоров А.М., Javan A., Kelley Р., Аскарьян Г.А., Бутылкип B.C., Каплан А.Е., Хронопуло Ю.Г., Кандидов
В.П., Карамзин Ю.Н., Трофимов В.А., Альтшуллер Г.Б. и др.). При этом основное внимание уделялось пространственным характеристикам пучков (изменения поперечного профиля пучка, его радиуса, продольной зависимости интенсивности на оси пучка в условиях керровской, тепловой и резонансной самофокусировки, самоканалирования и других эффектов самовоздействия). Исследования динамики лазерных сигналов, как правило, проводились на примере импульсного излучения (Розанов Н.Н., Ханин Я.И., Кившарь Ю.С., Agraval G.P., Мельников Л.А., Маломед Б.А., Фрадкин Э.Е., Пулькин

C.A., Козлов С.А., Выслоух В.А. и др.), а анализ нелинейнодинамических свойств лазерных систем - на примере лазеров различных типов (Ханин Я.И., Haken G., Mandel Р. и др.) и поперечных структур лазерных пучков (Otsuka K., Abraham N., Lugiato L., Воронцов M.A., Желтиков A.M., Мельников JT.A., Конюхов А.И. и др.).
В этой связи вопросы анализа нелинейно-динамических характеристик непрерывных частотно-модулированных лазерных пучков с распределением интенсивности по сечению в условиях резонансного самовоздействия являются малоисследованными. При этом можно ожидать появления новых эффектов, связанных с неравномерным распределением интенсивности по сечению пучка, и накапливающихся в процессе его распространения в условиях резонансного самовоздействия. Вследствие этого характеристики лазерного сигнала на выходе из среды могут существенно отличаться от входных значений, что становится принципиально важным при оптическом зондировании атмосферы на длинных трассах, передаче сигналов по волоконно-оптическим линиям связи, в спектроскопии насыщения, в системах оптического усиления сигналов, линиях задержки и других прикладных задачах.
Основной причиной нестабильного поведения лазерных сигналов в подобных условиях является неравномерное распределение показателя преломления в пространстве, на которое влияют: с одной стороны -различный уровень интенсивности лазерного пучка, а с другой стороны - частотные отстройки распространяющегося модулированного сигнала от резонанса с атомным переходом.
Сложность и нелинейность подобных задач требуют развития математических моделей и применения эффективных вычислительных методов, которые могли бы сочетать в себе подходы макроскопической

Применение теории хаоса расширяет доступность и дешевизна современных компьютеров. Сейчас теория хаоса очень активно исследуется во многих отраслях науки(аетрофизика, теория информации, математика, топология, биология, метеорология, физика, , и т.д.).) и является очень активной областью.
Большую значимость в данным момент представляет собой применении теории хаоса в следующих научных дисциплинах: биология, философия, физика, экономика, инженерия, финансы. Во многих лабораториях сейчас наблюдают различные хаотические процессы. Например в электрических схемах, химических реакциям, лазерах, магнитно-механических устройствах и в динамике жидкостей. Движение спутников солнечной системы так же имеет хаотическое поведение, как и в приросте населения в экологии, эволюции магнитного поля астрономических тел, а так же динамики потенциалов в нейронах и молекулярных колебаниях. Однако существуют сомнения насчет существования динамики хаоса в таких отраслях как тектоника плит и экономика
Чтобы показать зависимость прироста населения от его плотности, использовались динамические системы, похожие на модель Рикера, что было одним из самых успешных применений теории хаоса в экологии. На данный момент в медицине при изучении эпилепсии также используется теория хаоса для предсказания приступов, учитывая первоначальное состояние организма. Квантовая теория хаоса(похожая область физики) исследует связь между квантовой механикой и хаосом. Относительно недавно появилась еще одна область, описывающая системы, которые развиваются по законом общей теории относительности.