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).

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
- Были проведены эксперименты, в которых получен режим когерентной синхронизации мод (КСМ) в титан-сапфировом лазере за счет явления формирования 2pi импульсов самоиндуцированной прозрачности (СИП) в парах цезия. Продемонстрирован самостартующий характер режима КСМ в случае использования паров цезия вместо паров рубидия. Все режимы генерации, которые наблюдались нами в экспериментах с парами рубидия были воспроизведены экспериментах с парами цезия. - В экспериментах с титан-сапфировым лазером с когерентным поглотителем (пары рубидия и пары цезия) удалось пронаблюдать крайне редкие события резкого роста амплитуды и сокращения длительности импульсов, возникавших в режиме когерентной синхронизации мод. Эти события можно отнести к так называемым экстремальным событиям, которые в настоящее время являются предметом активного изучения в океанографии, волноводах и других нелинейных волновых колебательных системах. В рамках концепции диссипативных солитонов дано объяснение экстремальным событиям в генерации титан-сапфирового лазера с когерентным поглотителем. Когда в резонаторе лазера имеется несколько солитонов СИП, они взаимодействуют между собой. В эксперименте наблюдается их взаимное притяжение и отталкивание, слияние и последующий распад. В системе многих солитонов СИП событие слияния всех солитонов в один происходит крайне редко. В наших экспериментах это происходило один раз за несколько секунд. Оно сопровождалось резким возрастанием пиковой мощности импульса генерации и сокращением его длительности. - Выполнение нами эксперименты расширили круг систем, в которых удается отчетливо пронаблюдать экстремальные события. До сих пор экстремальные явления в системах диссипативных солитонов самоиндуцированной прозрачности никем не предсказывались и не наблюдались экспериментально. Нами было доказано (многократное повторение экспериментов, тщательный контроль за влиянием помех технического характера), что эти события являются следствием внутренней динамики лазера, а не связаны с помехами технического характера. - Разработана теория когерентной синхронизации мод (КСМ) в односекционном лазере с когерентным усилителем на основе теоремы площадей Мак Кола и Хана с неоднородной линией уширения резонасного перехода. Показано, что КСМ возникает за счет формирования pi импульсов в усиливающей среде и для синхронизации мод не требуется поглощающая среда. Показана возможность самостарта генерации, найдены предельные циклы генерации, зоны устойчивости. В случае однородного уширения линии перехода проведены численные расчеты, показывающие также возможность КСМ в лазере с когерентным усилителем. Выведены правила подобия, позволяющие обобщить результаты численных расчетов лазера в режиме синхронизации мод на случай получения импульсов предельно короткой одноцикловой и субцикловой длительности и показывающие, что для сокращения длительности импульсов до нескольких циклов колебаний, с необходимостью нужно сокращать длину резонатора, а не увеличивать мощность накачки. - Построена теория формирования и сверхбыстрого управления решетками разности населенностей в многоуровневых резонансных средах с помощью последовательности одноцикловых и субцикловых импульсов, не перекрывающихся в среде. Показана возможность, как наведения, так и стирания и мультиплицирования пространственной частоты решеток. Теоретический анализ проводился на основе приближенного решения уравнения Шредингера с помощью теории возмущений (в приближении слабого поля), так и на основании численного решения системы уравнений для матрицы плотности. Показано, что в слабых полях глубина модуляции решеток, рассчитанная по теории возмущений, хорошо согласуется с результатами численных расчетов. Показано, что что в слабых полях решетки заселенностей имеют гармоническую форму. А в сильных полях они имеют сложную структуру со многими максимумами.