КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 19-72-00012

НазваниеПолучение предельно-коротких оптических импульсов в лазерах за счет явления самоиндуцированной прозрачности и их применение для сверхбыстрого когерентного управления параметрами резонансных сред

РуководительАрхипов Ростислав Михайлович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регионфедеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет", г Санкт-Петербург

Срок выполнения при поддержке РНФ07.2019 - 06.2021

КонкурсКонкурс 2019 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-302 - Когерентная и нелинейная оптика

Ключевые слованелинейная оптика, предельно-короткие импульсы, субцикловые импульсы, когерентное взаимодействие излучения с веществом, самоиндуцированная прозрачность, синхронизация мод

Код ГРНТИ29.31.00


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
На сегодняшний день достигнут огромный прогресс в генерации предельно-коротких (ПКИ) импульсов c длительностью порядка и менее периода колебаний поля. Такие импульсы активно используются для изучения и управления динамикой сверхбыстрых процессов в веществе, контроля химических реакций и.т.д. Имеющиеся на сегодняшний день методы генерации ПКИ аттосекундной длительности базируются на использовании метода генерации высоких гармоник оптического излучения, возникающих при взаимодействии мощного фемтосекундного лазерного импульса со средой. Однако, данный метод обладают сравнительно низкой энергетической эффективностью (10^{-6} – 10^{-2}) и требуют дорогих и крупногабаритных установок. Для получения фемто- и пикосекундных импульсов используется метод пассивной синхронизации мод в лазерах. Существующие возможности получения коротких и стабильных по форме и частоте следования коротких импульсов в компактных полупроводниковых лазерах c пассивной синхронизацией мод ограничены тем, что оперируют в условиях, когда взаимодействие света с веществом некогерентное. И длительность импульса лазерного излучения не может быть короче времени релаксации поляризации активной среды T_2. Очевидно, что поиск новых, высокоэффективных методов генерации ПКИ, безусловно, является актуальной на сегодняшний день задачей. В данном проекте предлагается провести теоретическое и экспериментальное изучение новых подходов к генерации предельно-коротких импульсов за счет явления самоиндуцированной прозрачности (СИП) в двух- и односекционных лазерах (т.н. когерентная синхронизация мод, КСМ). Другой задачей проекта является применение ПКИ для сверхбыстрого управления параметрами резонансных сред (создание и сверхбыстрое управление решетками разности населенностей в резонансной среде с помощью последовательности ПКИ, когерентно распространяющихся в среде). С помощью последовательности ПКИ при когерентном взаимодействии за счет осцилляций Раби можно быстро изменять атомную инверсию и поляризацию на временах порядка периода колебаний световой волны. Данное обстоятельство может быть использовано для создания сверхбыстрых оптических дефлекторов и переключателей, что актуально в связи с необходимостью повышения быстродействия устройств передачи и обработки данных. Предлагаемые решения обладают следующей научной новизной. - На сегодняшний день в лазерах с пассивной синхронизацией мод, как длительность импульса, так и период следования импульсов, ограничен временем релаксации поляризации активной среды T_2. Это связано с тем, что механизм формирования режима синхронизации мод базируется на эффектах насыщения усиления и поглощения света в усилителе и поглотителе, которые имеют некогерентный характер. И преодолеть это ограничение считалось невозможным. Однако, использование КСМ позволяет получить импульсы короче времени T_2. Получаемые импульсы в принципе могут быть одноцикловыми. Все предыдущие теоретические исследования режима КСМ проводились в случае, когда импульсы генерации имели большую длительность (пс и нс) и велись в приближении вращающейся волны и медленно-меняющихся амплитуд, в случае, когда усиливающая и поглощающая среды размещались в кольцевом резонаторе в режиме однонаправленной генерации. В этом подходе не учитывалось влияние решеток инверсии на динамику системы. В проекте впервые будет изучена возможность получения предельно-коротких импульсов (ПКИ) за счет КСМ в лазерах с коротким линейным резонатором без использования указанных выше приближений медленно-меняющихся амплитуд и вращающейся волны. Это позволит теоретически исследовать компактный источник ПКИ со сверхвысокой частотой повторения (десятки ТГц). Отметим, что такая возможность до сих пор даже не рассматривалась. - Явление самоиндуцированной прозрачности (СИП), открытое Мак-Колом и Ханом в 1969 году, хорошо изучено теоретически и экспериментально на сегодняшний день в различных средах. Однако, оно так и не нашло практического применения для генерации коротких импульсов в лазерах. Также на сегодняшний день нет ни одной экспериментальной демонстрации режима синхронизации мод в лазерах за счет явления СИП. В данном проекте впервые будут проведены эксперименты по получению синхронизации мод за счет явления СИП в титан-сапфировом лазере с когерентно-поглощающей ячейкой с парами рубидия. - На сегодняшний день главным подходом к созданию светоиндуцированных оптических решеток в среде является интерференция двух перекрывающихся квазимонохроматических пучков света. В этом случае не удается получить решетку с периодом, меньшим длины волны пучков накачки, и управлять периодом таких решеток можно лишь очень медленно (порядка долей секунд). В данном проекте будет развита теория создания таких решеток с периодом, много меньше длины волны, в многоуровневой резонансной среде посредством когерентно взаимодействующих со средой ПКИ. Также будет показано, что последовательность таких импульсов позволяет управлять периодом решетки на временах порядка длительности импульсов (порядка фемтосекунд). Это позволит создать сверхбыстрый дефлектор лазерного излучения на основе описанного механизма.

Ожидаемые результаты
1. В ходе реализации проекта теоретически будет показана возможность генерации предельно-коротких импульсов за счет когерентной синхронизации мод в лазерах за счет явления самоиндуцированной прозрачности (СИП) в линейном резонаторе малой длины. 2. Будут проведены эксперименты по синхронизации мод в титан-сапфировом лазере, содержащем когерентно-поглощающую ячейку с парами рубидия. Синхронизация мод будет обусловлена явлением СИП в парах рубидия. Это будет первая экспериментальная демонстрация режима синхронизации мод в лазерах за счет эффекта СИП, которая до сих пор обсуждалась только теоретически. 3. Теоретически будет показана возможность сверхбыстрого управления оптическими свойствами резонансной среды, а именно возможность создания и сверхбыстрого изменения периода субволновых решеток поляризации и населенностей уровней в многоуровневой среде под действием последовательности из неперекрывающихся предельно-коротких импульсов, когерентно распространяющихся в среде. На основе данного механизма будет рассмотрена возможность создания сверхбыстрого дефлектора лазерного излучения. Ожидаемые результаты имеют как прикладное, так и академическое значение. В первом случае они могут привести к созданию компактных и эффективных источников предельно-коротких импульсов c высокой частотой повторения и нового поколения сверхбыстрых оптических дефлекторов. Данные устройства работают в режиме, когда взаимодействие света с веществом когерентное, что отличает их от имеющихся на сегодняшний день систем. Экспериментальная демонстрация режима синхронизации мод за счет явления СИП имеет также академическое значение, так как данный режим не был получен экспериментально. И механизм синхронизации мод отличается от стандартного режима пассивной синхронизации мод, возникающей за счет некогерентных эффектов насыщения. Поэтому, ожидаемые результаты соответствует мировому уровню исследований и могут быть использованы для создания компактных источников ПКИ, сверхбыстрых систем обработки и передачи данных.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2019 году
- Была собрана и настроена экспериментальная установка по наблюдению режима когерентной синхронизации мод в титан-сапфировом лазере за счет явления формирования 2пи импульсов самоиндуцированной прозрачности в парах рубидия. Экспериментально получен режим синхронизации мод в титан сапфировом лазере за счет явления самоиндуцированной прозрачности в парах рубидия. Экспериментально доказано, что в резонаторе циркулируют импульсы самоиндуцированной прозрачности поглотителя. Показан режим самостарта генерации, экспериментально изучены сценарии формирования режима когерентной синхронизации мод. Показано, что на начальном этапе возникают 0пи импульсы, затем возникает стационарная генерация с 2пи импульсами самоиндуцированной прозрачности. Это согласуется с результатами численного моделирования. - Построена теоретическая модель генерации предельно коротких импульсов в лазерах c ультракоротким линейным резонатором за счет когерентной синхронизации мод. Продемонстрирована возможность получения импульсов с длительностью вплоть до одного цикла колебаний и импульсов субцикловой формы в двухсекционном лазере с линейным резонатором. Выявлены ограничения, которые накладывает длина резонатора на время релаксации поляризации T2 поглотителя. На основании численного моделирования показано, что период следования импульсов медленно меняется около среднего значения из-за наличия решеток заселенностей в поглотителе. - Для качественного анализа режима когерентной синхронизации мод в ультракоротком резонаторе было предложено использовать стробоскопическую картину эволюции импульса генерации, которая позволяет выявлять медленные изменения периода, наблюдать слияния и распады нескольких импульсов, одновременно присутствующих в генерации. В результате численного моделирования были проанализированы сценарии развития генерации предельно коротких импульсов в лазере с ультракоротким резонатором. Показано, что на начальном этапе генерации возникают импульсы, ведущие себя подобно 0пи импульсам в поглотителе. Затем формируется режим стационарной генерации из 2пи импульсов самоиндуцированной прозрачности. Подобный сценарий развития генерации согласуется с результатами, выполненными в экспериментальной части проекта. - На основании приближенного решения уравнения Шредингера изучено воздействие пары полуцикловых импульсов на многоуровневую квантовую систему, в случае, когда длительность импульсов короче периодов резонансных переходов в системе. Показана возможность эффективного управления населенностями переходов резонансной среды с помощью униполярных импульсов, обладающих ненулевой электрической площадью. Показано, что вероятности переходов в системе периодически зависят от задержки между импульсами. Это позволяет говорить о возможности селективного воздействия на резонансные переходы и наведения светоиндуцированных гармонических решеток населенностей с помощью пары субцикловых импульсов, когда импульсы не перекрываются в среде. - Показана возможность осуществления голографической записи информации об объекте с применением импульсов субциклового или униполярного излучения, когда в качестве записывающей среды используется резонансная среда с большим временем фазовой памяти T2. В этом случае не требуется когерентность между опорным и предметным пучком. - Предложен и теоретически изучен способ получения одноцикловых ТГц импульсов в нелинейной резонансной среде, возбуждаемой парой парой фемтосекундных импульсов в одномерной задаче. Физический механизм генерации основан на когерентном управлении осцилляциями макроскопической поляризации среды (наведением этих осцилляций и их последующей остановкой) с помощью пары фемтосекундных импульсов. Проведенные численные расчеты с помощью системы уравнений Максвелла-Блоха показали возможность получения одноцикловых ТГц импульсов с высокой эффективностью генерации (10-3-10-4). Также на основе численных расчетов показана возможность генерации ТГц импульса при изменении толщины пленки среды, длительности возбуждающих импульсов, времени релаксации поляризации среды T2 в широких пределах. Результаты данного проекта опубликованы в следующих статьях – - M.V. Arkhipov, A.A. Shimko, N.N. Rosanov, I. Babushkin, R.M. Arkhipov, “Self-induced-transparency mode locking in a Ti:sapphire laser with an intracavity rubidium cell”, Physical Review A 101 (1), 013803 (2020) (https://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.101.013803 ). - M.V. Arkhipov, R.M. Arkhipov, A.A. Shimko, I. Babushkin, N.N. Rosanov, “Mode Locking in a Ti:Sapphire Laser by Means of a Coherent Absorber”, JETP Letters 109 (10), 634-637 (2019) (https://link.springer.com/article/10.1134/S0021364019100059 ). - M.V. Arkhipov, R.M. Arkhipov, A.A. Shimko, I. Babushkin, N.N. Rosanov, "Experimental study of self-induced transparency mode-locking in Ti: sapphire laser", Journal of Physics: Conference Series 1410 (1), 012102 (2019) (https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/1410/1/012102/meta ). - R.M. Arkhipov, M.V. Arkhipov, A.A. Shimko, I. Babushkin, N.N. Rosanov, "Mode Locking in Lasers due to Self-Induced Transparency: New Theoretical and Experimental Results", Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics 84 (1), 23-26 (2020) (https://link.springer.com/article/10.3103/S1062873820010049). - R.M. Arkhipov, M.V. Arkhipov, A.A. Shimko, A.V. Pakhomov, N.N. Rosanov, "Ultrashort Optical Pulses and Their Generation in Resonant Media (Scientific Summary)", JETP Letters 110 (1), 15-24 (2019) (https://link.springer.com/article/10.1134/S0021364019130071). -R.M. Arkhipov, M.V. Arkhipov, A.V. Pakhomov, N.N. Rosanov, "Population gratings produced in a quantum system by a pair of sub-cycle pulses", Quantum Electronics 49 (10), 958 (2019) (https://iopscience.iop.org/article/10.1070/QEL17024/meta). - Р.М. Архипов, М.В. Архипов, А.В. Пахомов, Н.Н. Розанов, "О некоторых новых возможностях управления квантовыми системами с помощью униполярных предельно коротких импульсов", Оптика и спектроскопия, том 128, вып. 1, стр.106-109 (2020) (https://journals.ioffe.ru/articles/48845 ). - Р.М. Архипов, М.В. Архипов, Н.Н. Розанов, ”О возможности голографической записи в отсутствие взаимной когерентности опорного и предметного пучков”, Письма в ЖЭТФ, Т. 111, Вып.9, стр.586-590 (2020) (http://jetpletters.ac.ru/ps/2279/article_34035.shtml ). -R.M. Arkhipov, A.V. Pakhomov, M.V. Arkhipov, A. Demircan, U. Morgner, N.N. Rosanov, I. Babushkin “Coherently controlled generation of single-cycle terahertz pulses from a thin layer of nonlinear medium with low-frequency resonances”, Physical Review A, 101, 043838 (2020) (https://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.101.043838 ). - R. Arkhipov, A. Pakhomov, M. Arkhipov, A. Demircan, U. Morgner, N. Rosanov, I. Babushkin, "Selective ultrafast control of multi-level quantum systems by subcycle and unipolar pulses", Optics Express, in press (2020).

 

Публикации

1. Архипов М.В., Архипов Р.М., Шимко А.А., Бабушкин И., Розанов Н.Н. Mode Locking in a Ti: Sapphire Laser by Means of a Coherent Absorber JETP Letters, Volume 109, Issue 10, pp 634–637 (год публикации - 2019).

2. Архипов М.В., Архипов Р.М., Шимко А.А., Бабушкин И., Розанов Н.Н. Experimental study of self-induced transparency mode-locking in Ti:sapphire laser Journal of Physics: Conference Series, V. 1410, p. 012102 (год публикации - 2019).

3. Архипов Р.М., Архипов М.В., Пахомов А.В., Розанов Н.Н. Population gratings produced in a quantum system by a pair of sub-cycle pulses Quantum Electronics, V.49 (10), pp. 958 – 962 (год публикации - 2019).

4. Архипов Р.М., Архипов М.В., Пахомов А.В., Розанов Н.Н. О некоторых новых возможностях управления квантовыми системами с помощью униполярных предельно коротких импульсов Оптика и спектроскопия, том 128, вып. 1, стр. 106-109 (год публикации - 2020).

5. Архипов Р.М., Архипов М.В., Розанов Н.Н. О возможности голографической записи в отсутствие взаимной когерентности опорного и предметного пучков Письма в ЖЭТФ, Том 111, Вып.9, стр. 586-590 (год публикации - 2020).

6. Архипов Р.М., Архипов М.В., Шимко А.А., Бабушкин И., Розанов Н.Н. Mode Locking in Lasers due to Self-Induced Transparency: New Theoretical and Experimental Results Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics, Vol. 84, No. 1, pp. 23–26 (год публикации - 2020).

7. Архипов Р.М., Архипов М.В., Шимко А.А., Пахомов А.В., Розанов Н.Н. Ultrashort Optical Pulses and Their Generation in Resonant Media (Scientific Summary) JETP Letters, Volume 110, Issue 1, pp 15–24 (год публикации - 2019).

8. Архипов Р.М., Пахомов А.В., Архипов М.В., Демиркан А., Моргнер А., Розанов Н.Н., Бабушкин И. Coherently controlled generation of single-cycle terahertz pulses from a thin layer of nonlinear medium with low-frequency resonances Physical Review A, V.101, p. 043838 (год публикации - 2020).

9. Архипов Р.М., Пахомов А.В., Архипов М.В., Демиркан А., Моргнер У., Розанов Н.Н., Бабушкин И. Selective ultrafast control of multi-level quantum systems by subcycle and unipolar pulses Optics Express, - (год публикации - 2020).

10. М.В. Архипов, А.А. Шимко, Н.Н. Розанов, И. Бабушкин, Р.М. Архипов Self-induced-transparency mode locking in a Ti:sapphire laser with an intracavity rubidium cell Physical Review A, V.101, P. 013803 (год публикации - 2020).