Многоволновое взаимодействие в резонансной среде и синхронизация лазеров

• Автор: Сухарев, Александр Германович
• Шифр специальности: 01.04.03
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 194 с. : ил.

1. Обзор литературы

I Динамические процессы в резонансных средах

II ( Задача о синхронизации лазеров

III Проблема динамического хаоса

2. Эффекты многоволнового взаимодействия в резонансных

средах

1 ВКР в неоднородно уширенных резонансных средах

2 Четырехволновое зеркало при многочастотной накачке

3 Линейная теория гипер-ВКР коротких световых импульсов

4 Отражение монохроматического сигнала от движущейся

поляризации резонансной среды

5 Отражение излучения от движущейся области поляризации в
резонансных брэгговских структурах
3. Синхронизация лазеров
6 Фазовая синхронизация лазеров на общей нелинейной
ячейке
7 Исследование распространения излучения в многоканальном
волокне
8 Влияние возмущений геометрии каналов на дискриминацию мод
многоканального волоконного лазера с пространственным фильтром
4. Синхронизация хаотических лазеров и хаотическая динамика
9 Фазовая синхронизации лазеров с периодической накачкой
10 Вычисление ляпуновской размерности двух связанных
лазеров с периодической накачкой
11 Синхронизация хаотических лазеров при отстройке частот
12 Синхронизация двухчастотных хаотических диодных
лазеров
13 Динамика полупроводникового лазера с запаздывающей
обратной связью
14 Декодирование информации в схеме хаотических лазеров
Заключение
Литература

Взаимодействие нескольких волн в нелинейной среде — одна из основных проблем в теории лазеров и лазерной спектроскопии. Эта же проблема играет исключительную роль в задаче по синхронизации лазеров. Исследования по резонансным эффектам при взаимодействии двухуровневой системы с бигармоническим [1] и полигармоническим [2] излучением показали, что в спектре поглощения пробного поля прослеживаются дополнительные “сверхузкие” резонансы, вызванные динамическим эффектом Штарка. Положение дополнительных резонансов определяется совпадением комбинационных частот биений гармоник с частотой Раби, которая зависит от интенсивности излучения. Сложный характер спектра, индуцированного накачкой, привел к необходимости использовать также понятие обобщенных частот Раби для задач лазерной спектроскопии. Особый интерес вызывает также динамическое изменение спектра на связанных состояниях среды и поля, вызванных прохождением по резонансной среде когерентных 2тс-имульсов (солитонов) [3]. В случае двухуровневых сред солитонные решения нелинейной задачи могут быть получены аналитически, используя метод обратной задачи рассеяния (ОЗР). Метод ОЗР ведет начало с работы Гарднера, Грина, Крускала и Миуры [4]. Сила метода ОЗР была продемонстрирована при исследовании более сложных -трехуровневых сред, когда из условия совместимости матричных уравнений задачи ОЗР исходным уравнениям среды и поля возникает условие существование солитонных решений в трехуровневой среде. Двухчастотный аналог 2я-имульса для трехуровневой среды требует определенного соотношения сил осцилляторов резонансных переходов. Во всех остальных случаях вместо точного описания эволюции импульсов можно рассчитывать только асимптотику нелинейных решений либо вести численный анализ. В приближении заданного поля 2я-импульса можно исследовать задачу рассеяния слабого стоксова сигнала от поляризации, наведенной в среде. Спектральные особенности задачи рассеяния пробной волны вызваны многочастотным характером поля накачки, однако, здесь трудно ввести частоту Раби. Следует отметить, что групповая скорость 2я-имульсов
отличается от скорости света в среде и характеризуется дополнительным замедлением, пропорциональным квадрату длительности импульса. Это приводит к разному числу резонансных пиков для попутной и встречной задачи рассеяния стоксова сигнала. Процессы вынужденного когерентного рассеяния (ВКР) света в нелинейной ячейке могут оказаться важными при синхронизации излучения двух и более лазеров.
Исследования по фазовой синхронизации лазерного излучения [5] имеют большое значение для получения высокого качества излучения. Рост мощности лазерного излучения приводит к необходимости масштабирования, когда лазерная система выполнена в виде сборки лазеров. Совокупно набор из N лазеров может генерировать излучение различной яркости в зависимости от степени синфазности, максимальная яркость излучения пропорциональна Ы2. Однако на этом пути есть определенные трудности. Было показано, что разброс параметров лазеров приводит к ограничению на максимальное число сфазированных элементов в одномерной или двухмерной решетке лазеров. При превышении этого порога набор лазеров разбивается на домены с разными фазами. Одним из популярных методов по синхронизации набора лазеров является использование пространственных фильтров Тальбо. В этом случае синфазная мода может обладать повышенной добротностью, что приводит к подавлению генерации остальных мод. В некоторых конструкциях имеется вторая мода с близкой добротностью (часто антифазная), тогда требуются специальные меры по селекции одной из них.
Интерес представляет изучение синхронизации лазеров не только для стационарных или импульсных режимов генерации, но и более сложных динамических режимов. На основе однонаправленной связи хаотических лазеров можно конструировать новые схемы защищенной связи [6]. Идея хаотической синхронизации [7, 8] вызвала повышенное внимание к экспериментальным [9] и теоретическим [10] исследованиям по динамике связанных хаотических лазеров в самое последнее время. Хаотическое излучение позволяет эффективно маскировать полезный сигнал, в то время как ведомый лазер способен отделить его, так как он синхронизируется с исходным хаотическим излучением. Степень крипто-защиты определяется размерностью странного аттрактора системы. Для повышения защиты используется гиперхаос — хаос высокой размерности, возникающий в лазерах с запаздывающей обратной связью [11] (ЗОС). В результате стали доступны режимы хаоса с размерностью больше, чем число переменных в уравнениях, описывающих динамику лазера. Хаос возникает в совершенно различных типах лазеров, и имеется целый ряд причин, приводящих к хаосу, включая модуляцию накачки. Однако именно частота собственных релаксационных колебаний определяет диапазон частот, вблизи которой будет развиваться сценарий перехода к хаосу. Чем выше эта характерная;

релаксационных колебаний связаны через общий насыщающийся поглотитель в [256]. Несмотря на различие, эти два лазера могут успешно синхронизироваться, демонстрируя различные колебательные режимы. Отклик низко частотного лазера (L) состоит из сильно пульсирующих колебаний интенсивности, а высокочастотный лазер {Li) после взрывного начала воспроизводит почти гармонические колебания. Выше критической точки, взрывные колебания медленно разрушаются между последовательными импульсами L, но периодическая синхронизация между лазерами остается возможной. Ниже критической точки, взрывные колебания медленно нарастают между импульсами L, и синхронизация уже более не периодическая.
В работе [257] изучена синхронизация двух диодных лазеров с оптической связью в конфигурации ведущий-ведомый, когда изменяется величина отстройки собственных частот лазеров. Обнаружены экспериментальные условия для появления обратной синхронизации (inverse synchronization, при которой градиенты амплитуд полей лазеров меняются в противофазе). Продолжение исследований по хаотической синхронизации диодных лазеров представлено в [258]. Хаос в лазере - передатчике осуществляется посредством ЗОС. Найдены условия обратной синхронизации и опережающей динамики в лазере- приемнике. Время опережения зависит не от длины внешнего резонатора, а скорее от пролетного времени между лазерами. Заметные изменения в спектре излучения возникают при фазовом переходе от опережающей к запаздывающей синхронизации. В [259] наблюдалось явление антифазной хаотической динамики для многомодового полупроводникового лазера с ОС. Оказалось, что колебания вблизи частоты релаксационных колебаний синфазные для всех мод, в то время как низко частотные колебания проявляют частично антифазные свойства. Такая синхронизированная фазовая динамика воспроизводится в ведомом лазере при односторонней оптической связи.
В работе [260] обсуждается синхронизация полупроводникового лазерного набора со слабой глобальной связью с запаздыванием в непрерывном и импульсном режимах. Показано, что ЗОС приводит к синфазной синхронизации во всех динамических режимах. Другой феномен синхронизации состоит в локальном тушении пульсаций в наборе. Свойства синхронизации набора неодинаковых глобально связанных слабо устойчивых осцилляторов изучены в [261]. Выше критического значения силы связи, некоторые осцилляторы проходят бифуркацию из режима устойчивого предельного цикла в режим авто-пульсаций. Пульсации уменьшают параметр порядка, а деградация синхронизации может быть снижена запаздыванием связи между осцилляторами. ПЛ — лазеры, связанные внешним зеркалом, могут быть взяты в качестве примера этой модели.