Спектрально-временные преобразования сверхкоротких лазерных импульсов в микроструктурированных световодах

• Автор: Серебрянников, Евгений Евгеньевич
• Шифр специальности: 01.04.21
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 204 с. : ил.

Оглавление
Введение

Глава I. Развитие оптики микроструктурированных световодов

1.1. Классификация микроструктурированных волокон

1.2. Основные физические механизмы спектрально-временного преобразования

световых импульсов в микроструктурированных волокнах

1.3. Обзор численных схем исследования оптических свойств МС-волокон

1.4. Заключение к главе I

Глава П. Физические модели и методы анализа волноводного распространения сверхкоротких лазерных импульсов

2.1 Волноводное распространение сверхкоротких световых импульсов

§2.1.1 Вывод волноводного уравнения распространения,

§2.1.2 Нелинейная поляризация в микроструктурированных световодах
§2.1.3 Ионизация в поле сверхкоротких лазерных импульсов
§2.1.4 Специфика моделирования волноводного распространения
2.2 Численный анализ собственных мод микроструктурированных волокон
§2.2.1 Метод разложения по системе ортогональных функций
§2.2.2 Алгоритм, использующий Фурье разложение,
2.3. Заключение к главе II
Глава III. Оптические свойства волноводных мод МС-волокон
3.1. Структура электромагнитного поля волноводных мод
3.2. Дисперсионные свойства микроструктурированных волокон
3.3. Конструирование волокон с заданными свойствами
3.4. Волоконная компенсация заданного дисперсионного профиля
3.5. Заключение к главе III
Глава ГУ. Нелинейно-оптические взаимодействия сверхкоротких лазерных
импульсов в микроструктурированных волокнах
4.1. Солитонный режим распространения
§4.1.1 Солитонный сдвиг частоты лазерных импульсов, состоящих из
нескольких циклов светового поля
§4.1.2 Стабилизация солитонного сдвига частоты
§4.1.3 Неустойчивость солитонов и черепковское излучение
§4.1.4 Спектральное сжатие лазерных импульсов
§4.1.5 Солитонные режимы распространения мощных лазерных импульсов в
полых фотонно-кристаллических волокнах
4.2 Синхронные четырехволновые нелинейно-оптические взаимодействия
§4.2.1 Параметрическое четырехволновое смешение
§4.2.2 Модуляционная неустойчивость в КАРС-спектроскопии
§4.2.3 Кросс-модуляционная неустойчивость
§4.2.4 Многочастотная генерация третьей гармоники
§4.2.5 Генерация третьей гармоники в полом ФК-волокне
§4.2.6 Когерентное антистоксово рассеяние света в полом ФК-волокне
4.3. Генерация гармоник высокого порядка в полых ФК-волокнах
§4.3.1 Физические принципы волноводной генерации высших гармоник
§4.3.2 Фазовый синхронизм при генерации гармоник высокого порядка
4.4. Заключение к главе IV
Заключение
Список публикаций автора по теме диссертации
Библиографический список использованной литературы

Введение
Актуальность темы
Современные оптоволоконные технологии позволяют создавать компактные и надежные волоконно-оптические источники и преобразователи оптических сигналов, используемые для решения широкого круга научных и технологических задач. Основные преимущества волоконных лазерных систем и нелинейно-оптических устройств обусловлены световодной геометрией генерации, усиления и нелинейно-оптического преобразования лазерного излучения [1,2]. В волоконно-оптических лазерных системах такая геометрия обеспечивает высокую эффективность преобразования энергии накачки в энергию излучения, благоприятные условия для отвода тепла и высокое качество пространственного профиля лазерного пучка. Благодаря большим длинам нелинейно-оптических взаимодействий, обеспечиваемых волноводным режимом распространения излучения [2,3], оптоволоконные технологии позволяют создавать компактные и высокоэффективные устройства для управления параметрами лазерного излучения и спектрально-временного преобразования световых импульсов, включая широко используемые в оптике сверхкоротких импульсов волоконно-оптические компрессоры и устройства для преобразования частоты на основе комбинационного рассеяния и параметрического четырехволнового взаимодействия.
Оптические волокна, легированные иттербием и эрбием, обладают полосой усиления, достаточной для генерации сверхкоротких (фемтосекундных) лазерных импульсов. Однако создание практичных волоконно-оптических лазерных устройств, способных составить конкуренцию имеющимся твердотельным лазерным источникам сверхкоротких световых импульсов, требует решения ряда серьезных идейных и технических проблем. Одна из наиболее значительных трудностей получения мощных коротких световых импульсов в волоконно-оптических системах связана с нежелательными нелинейно-оптическими явлениями, такими как фазовая само- и кроссмодуляция, вынужденное

Задача описания волноводных мод, таким образом, сводится к нахождению собственных функций и соответствующих им собственных значений линейного оператора, включающего дифференциальный оператор волнового уравнения (оператор Лапласа) и граничные условия [3]. Решить уравнение (1.7) аналитически представляется возможным лишь в самых простых случаях, поэтому для анализа волноводов со сложным профилем показателя преломления необходимо применять численные расчеты.
Для исследования микроструктурированных волокон был развит целый ряд приближенных численных методов (см., например, [111-119), каждый из которых имеет свою область применения и обладает теми или иными достоинствами и недостатками. Задача нахождения собственных мод в оптическом волокне аналогична расчету спектра стационарного уравнения Шредингера [3]. Пространственное распределение диэлектрической проницаемости при этом выступает аналогом потенциала, а волноводные моды соответствуют волновым функциям. Ввиду данной аналогии методы анализа задач квантовой механики дают удобные рецепты расчета волокон со сложным профилем показателя преломления. Например, в том случае, когда исследуется структура с малым возмущением показателя преломления и априори известен невозмущенный базис собственных мод, для приближенного анализа можно воспользоваться теорией возмущения, как это было сделано в работе [112]. Однако для реальных микроструктурированных волокон нахождение невозмущенного базиса мод, как правило, оказывается достаточно трудной задачей. Для микроструктурированных волокон с периодической и квазипериодической оболочкой хорошие результаты дает метод, основанный на разложении по плоским волнам, развитый в работах [115-117]. Метод заключается в том, что решение задачи на собственные функции представляется в виде разложения по базису плоских волн, после его подстановки в уравнение (1.7), задача по нахождению собственных функций волноводной структуры сводится к нахождению экстремума некоторого функционала. Эта проблема, в свою очередь, решается методами вариационного исчисления.
Задача нахождения волноводных мод может быть решена с применением метода конечных разностей к системе уравнений Максвелла. С учетом зависимости