Основные результаты 2021 года

Исследование динамики генерации ультракоротких импульсов в волоконных лазерах

На основе численного моделирования исследуется формирование шумовых импульсов с предельно широкими спектрами излучения [1-4]. Механизм спектрального уширения связан с керровской нелинейностью бездисперсионных оптических волокон, формирующих лазерный резонатор. Эффективность такого механизма спектрального уширения связана с высокой интенсивность солитонов, формирующих шумовой импульс, и их малой длительностью. На рис. 1А показана реализация спектра шумового импульса в выходном излучении I_ɷ, которая стохастически изменяется от одного прохода импульса по лазерному резонатору к другому. Такое изменение связано со случайным, хаотическим изменением солитонов, формирующих шумовой импульс. При усреднении по большому числу проходов излучения через резонатор (рис. 1Б) спектральный профиль становится регулярным. Он состоит из узкополосной части спектра, определяемой шириной полосы усиления, и широкополосного спектра, связанного с уширением спектра излучения за счет керровской нелинейности. Аппроксимация широкополосной части спектра в окрестности его вершины параболической зависимостью (тонкая кривая на рис. 1с) позволяет оценить его ширину по половине высоты. Для использовавшихся лазерных параметров эта ширина оказалась более чем в 10 раз больше спектральной ширины лазерного усилителя. При этом около 80% энергии импульса приходится на спектральные компоненты I_ɷ широкополосной части спектра. Широкополосная часть спектра монотонно увеличивается с увеличением длины бездисперсионного волокна.

Рис. 1. А – одна из хаотических спектральных реализаций шумового импульса в выходном излучении. Б – спектральное распределение шумового импульса, усредненное за 1000 проходов I_ɷ. с – спектральное распределение в логарифмическом масштабе. Пунктирной кри-вой обозначен спектральный профиль усиления лазерной усиливающей среды.

При отклонении дисперсии волокна от нуля, как в случае нормальной, так и аномальной дисперсии, ширина спектра уменьшается. В случае нормальной дисперсии частотный чирп, связанный с нелинейностью показателя преломления, приводит к расплыванию каждого из солитонов, формирующих шумовой импульс, и, соответственно, к уменьшению их пиковой интенсивности. В результате уширение спектра происходит только в начальной части волокна, где пиковая интенсивность солитонов достаточно велика. В случае аномальной дисперсии частотный чирп приводит к колебаниям солитонов и, соответственно, к колебаниям их частотного чирпа. Таким образом, монотонное увеличение ширины частотного спектра солитона происходит также только на части волокна. Волокно со средней дисперсией, близкой к нулю, может быть изготовлено за счет чередования достаточно коротких волокон с дисперсиями противоположных знаков.

Волоконные лазеры, работающие в режиме шумовых импульсов с широким спектром излучения, представляют интерес для применений в оптической когерентной томографии, оптических радарах и волоконно-оптических сенсорных системах.

Изучение когерентных нелинейных явлений, связанных с формированием и эволюцией ультракоротких импульсов в микроструктурированных средах

Совместно с сотрудниками лаб.11 аналитически и численно найдено и исследовано обширное многопараметрическое семейство устойчивых антипериодических диссипативных солитонных состояний в оптических χ⁽²⁾ микрорезонаторах. Эти состояния отвечают дуальным спектрально широким частотным комбам, центрированным на частоте накачки ω_p и получастоте ω_p/2. В качестве варьируемых параметров выступают длина волны и мощность накачки во вторую гармонику, а также добротности мод резонатора (см. рис. 2). Предсказания включают в себя эффекты слабых частотных расстроек и спонтанное нарушение симметрии. Наиболее обещающей спектральной областью является окрестность точки равных групповых скоростей первой и второй гармоник (λ_p вблизи 1349 nm для резонаторов на основе ниобата лития). Теория даёт чёткие предсказания для реализации частотных χ⁽²⁾ комбов [10-12].

Рис. 2. Зависимости параметра скорости солитона (первый ряд) и числа значимых линий в частотном комбе (второй ряд) от параметра мощности накачки η и спектрального расстояния до точки равных скоростей λ_p - λ_c. Подрисунки a), b), c) отвечают различным соотношениям добротности мод в области 1-й и 2-й гармоники. Значения скорости солитона v01 противоположны слева и справа от центра.

Теоретически и экспериментально исследовано влияние частотных расстроек, обусловленных неидеальностью выполнения условий фазового синхронизма, на эффективность генерации второй гармоники в χ⁽²) микрорезонаторах. Результаты модельных расчётов, указывающих на сильные нелинейные искажения формы линии, подтверждены экспериментами с микрорезонаторами на основе фосфида кремния. Найдено, что наблюдаемые эффекты чувствительны к соотношению добротностей мод в области 1-й и 2-й гармоник.

Исследованы свойства нелинейных пространственно-однородных световых состояний (фона) в χ⁽²) микрорезонаторах, отвечающих связанным 1-й и 2-й гармоникам, а также устойчивость этих состояний относительно пространственно неоднородных возмущений. Рассмотрены схемы с монохроматической накачкой в 1-ю и 2-ю гармоники. Показано, что свойства (включая пороги) неустойчивости, ведущей к генерации частотных комбов, в первом случае не имеют ничего общего с обычной параметрической генерацией. Изучено влияние разности групповых скоростей 1-й и 2-й гармоник на пороги неустойчивости нелинейного фона при различных схемах накачки. Исследованы необходимые условия для существования устойчивых солитонных состояний.

Совместно с коллегами из Анжуйского (Франция), Фрайбургского (Германия) и Цзянсунского (Китай) университетов продолжались исследования формирования световых структур в нелинейных средах и системах, включая волоконные генераторы ультракоротких импульсов света и микрорезонаторы. Дан анализ формирования шумовых импульсов в волоконных лазерах со спектральной шириной излучения, превышающей ширину полосы усиления, и проведено исследование генерации второй гармоники в оптических микрорезонаторах.

Сведения об участии в международных и российских конференциях: 

Komarov A., Zhao L., and Sanchez F. Formation mechanism of color domains in fiber lasers (invited) // Hubei Association for Science and Technology Home Program “International Forum on Laser Advanced Manufacturing”, – P. 14 / Wuhan, China (6 November). – 2021. – https://live.photoplus.cn/live/pc/56415309/#/live.

Sturman B., Podivilov E., and Smirnov S. Frequency combs in χ⁽²⁾ microresonators: An overview of theoretical predictions (invited) // Online conference and doctoral school “CHI-2 photonics in microresonators and beyond” / (13 – 14 April). – 2021. – https://www.microcomb-eu.org/chi-2-photonics-videos.

Сведения о научно-образовательной деятельности:

Семинары (НГУ) “Механика”, “Общая теория относительности”, (к.ф.-м.н., доцент Ерофеев В.И.).

Перечень грантов:

Грант РФФИ № 20-02-00511. Сроки выполнения работы: 01.01.2020 – 31.12.2022 г.