Лазерные синтезаторы оптических частот на основе параметрических генераторов света

• Автор: Колкер, Дмитрий Борисович
• Шифр специальности: 01.04.05
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 276 с. : ил.

ВВЕДЕНИЕ
Инновационный путь развития отечественной научно-производственной базы предполагает переход к новейшему технологическому укладу, базовыми направлениями которого являются наноэлектроника, биотехнологии и информатика. Успешное развитие этих направлений оказывается весьма проблематичным без современного аналитического и метрологического обеспечения, которое в большой степени основывается на прецизионных лазерных технологиях. Уникальные возможности этих технологий обеспечиваются постоянным улучшением характеристик излучения лазерных источников и успехами лазерной спектроскопии, что позволило поставить на практическую основу, например, методики регистрации и идентификации следовых количеств атомов и молекул. В русле этих исследований и разработок лежит и очень важная проблема создания на базе лазерных источников излучения основанных на атомных и квантовых явлениях эталонов длины и времени и, соответственно, методов измерения длины волны и частоты излучения.
Создание фемтосекундных лазеров с широкой линией излучения больше оптической октавы привело к реализации сличений стандартов частоты от радио- до оптических диапазонов с погрешностью определяемой воспроизводимостью стандартов [1-5]. Исследования показали, что межмодовая частота лазеров с самосинхронизацией мод может быть стабилизирована при синхронизации частотой внешнего высокостабильного генератора [3].
Для обеспечения связи между стандартом частоты и фемтосекундным синтезатором важными элементами лазерной линейки являются нелинейные преобразователи частоты. Весьма перспективным оказывается и применение параметрических генераторов света, хотя для метрологических целей последние требуют синхронизации фаз сигнальной и холостой волн.

Комбинация таких генераторов, при условии синхронизации фазы между сигнальной и холостой, с СКИ лазерами ещё более расширяет возможности частотных измерений и создания многочастотных стабильных реперов, расположенных в широкой области спектра [6-19].
В [20] сообщается о создании трехрезонаторного параметрического осциллятора на основе двухсекционного кристалла из ниобата лития, который накачивался МОРА системой в области 812 нм. Другой эксперимент [23], в котором также использовался РРОЧ кристалл с накачкой 500 мВт лазером в области 532 нм, позволял осуществить деление частоты на
3. В этом эксперименте использовались два каскадных преобразования генерации разностной частоты. При этом, для осуществления операции 3:2 требовалось два входных сигнала. Однако диапазон самосинхронизации фазы в [20, 23] был экстремально мал для осуществления стабильной работы этих устройств и их практического применения. В ряде работ отмечается возможность использования ПГС-ССФ для генерации сжатых состояний света и ярких запутанных состояний света [21-24].
В традиционном, невырожденном ПГС разность фаз сигнальной и холостой волн являются случайными величинами, которые возникают из-за стохастического процесса, происходящего от спонтанного параметрического шума флюоресценции. В ПГС с самосинхронизацией фазы (ПГС-ССФ) разность фаз между сигнальной и холостой волнами остается величиной постоянной, что позволяет использовать эти устройства в метрологических задачах. Работы по созданию ПГС-ССФ велись в лабораториях России, Германии, Франции, Нидерландов и США, тем не менее, до начала работы над данной диссертацией таких источников когерентного инфракрасного излучения не существовало.

Цель работы
Целью диссертационной работы является разработка, создание и исследование многофункциональных синтезаторов оптических частот для задач фундаментальной метрологии, спектроскопии высокого разрешения и абсолютного измерения оптических частот от ультрафиолетового до среднего ИК-диапазона с высокой точностью.
Достижение цели потребовало решения следующих задач:
- разработки и создания экспериментальной установки для измерения оптических частот с высокой точностью в широком спектральном диапазоне от ультрафиолетового до ИК-диапазона на основе фемтосекундного лазера с f-2f интерферометром
- проведение абсолютных измерений оптических частот переходов молекулярного йода в области 532 нм, 87Sr и 88Sr, измерения изотопических сдвигов в атоме стронция
- создания и исследования прецизионных оптических делителей частот (ПГС-ССФ) на основе кристаллов из периодически поляризованных структур ниобата лития с составной геометрией нелинейного элемента. Исследование области устойчивости и возможности пассивного механизма фазового захвата, не требующего активных систем фазовой привязки
-экспериментального исследования зависимости диапазона фазового самозахвата от различных факторов — температуры, длины волны накачки Г1ГС и мощности накачки
-экспериментального подтверждения генерации Хопф нестабильностей в ПГС ССФ в различной конфигурации оптического резонатора
- исследования каскадных режимов генерации в ПГС с составной геометрией нелинейного элемента. Исследование пятичастотного режима

19. Quessada, A., Courtillot, I., Kovacich, R.P., Brusch, A., Kolker, D., Rovera, G.D., Clairon, A., Lemonde, P. "An optical frequency standard using cold strontium atom” OSA Trends in Optics and Photonics Series 88, pp. 1612*
20. Zondy, J.-J., Kolker, D., Bonnin, C.; Lupinski, D. “Second-harmonic generation with monolithic walkoff-compensated KTP periodic structures” OSA Trends in Optics and Photonics Series 88, pp. 812-813*
21. Zondy, J.-J., Kolker, D. “Stability of the self-phase-locked pump-enhanced singly resonant optical parametric oscillator” OSA Trends in Optics and Photonics Series 88, pp. 603-604 *
22. Bagayev, S.N., Chepurov, S.V., Denisov, V.I., Klementyev, V.M., Kolker, D.B., Korel, I.I., Kuznetsov, S.A., Russell, P.St.J. Formation and distortions of the ultrashort pulse train spectrum broadened in tapered fiber CPEM Digest (Conference on Precision Electromagnetic Measurements) , pp. 428-429, 2002 *
22. Bagayev, S.N., Belkin, A.M., Dychkov, A.S., Famosov, S.A., Fateev, N.V., Kolker, D.B., Matyugin, Yu.A., Zhmud, V.A. “Absolute frequency measurements in precision laser spectroscopy of Muonium” Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering 3736, pp. 310-318 *
23. Bagaev, S.N., Belkin, A.M., Dychkov, A.S., Efimov, A.S., Zhmud', V.A., Kolker, D.B., Matyugin, Yu.A., Fateev, N.V. “Frequency reference in the 732-nm region for precision laser spectroscopy of muonium Quantum Electronics 30 (7), pp. 641-646, 2000 *
24. J.-J. Zondy et D.Kolker, «Signature dynamiqies d’un auto-verrouillage de phase induit par compétition de processus y<2) dans un OPO triplement résonnant: Observation d’une bifurcation de Hopf inverse». Compte-rendus de la 7, Rencontre du Non-Linéare, Paris 2004, Institut Henri Poincaré, Nonè-linéare Publications, p.
[Динамические признаки самосинхронизации фазы в трехрезонаторном параметрическом осцилляторе под влиянием конкуренции у}2) нелинейностей. Наблюдение Хопф-осцилляций]