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

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
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 проекта 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

Руководитель Архипов Ростислав Михайлович, Кандидат физико-математических наук

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

Конкурс №40 - Конкурс 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 слова нелинейная 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.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

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)
10.1134/S0021364019100059

2. 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)
10.1134/S0021364019130071

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. 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)
10.1103/PhysRevA.101.013803

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)
10.31857/S1234567820090025

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)
10.3103/S1062873820010049

7. 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)
10.1088/1742-6596/1410/1/012102

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)
10.1103/PhysRevA.101.043838

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. 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)
10.21883/OS.2020.01.48845.257-19

11. Архипов Р.М. Решетки населенностей, создаваемые парой униполярных аттосекундных импульсов в трехуровневой атомарной среде Оптика и спектроскопия, том 128, вып. 11, стр.1732-1736 (год публикации - 2020)
10.21883/OS.2020.11.50177.186-20

12. Архипов Р.М., Архипов М.В., Пахомов А.В., Жукова М.О., Цыпкин А.Н., Розанов Н.Н. Селективное возбуждение и создание инверсной населенности в квантовых системах с помощью униполярных аттосекундных и терагерцовых импульсов Оптика и спектроскопия, Том 128, № 12, стр.1905-1911 (год публикации - 2020)
10.21883/OS.2020.12.50328.197-20

13. Мелхерт О., Брее К., Тажали А., Папе А., Архипов Р., Вилмс С., Бабушкин И., Скрябин Д., Штейнмайер Г., Моргнер У., Демиркан А. All-optical supercontinuum switching Communications Physics, V. 3, article number 146, p. 1-8 (год публикации - 2020)
10.1038/s42005-020-00414-1

14. Архипов Р.М., Архипов М.В., Розанов Н.Н. Голография при отсутствии взаимной когерентности между опорным и предметным пучками Сборник трудов XVII Всероссийской школы-семинара «Волновые явления в неоднородных средах» имени А.П. Сухорукова («Волны-2020»), cтр.3-6 (год публикации - 2020)

15. Архипов Р.М., Пахомов А.В., Архипов М.В., Бабушкин И.В., Демиркан А., Моргнер У., Розанов Н.Н. Population difference gratings created on vibrational transitions by nonoverlapping subcycle THz pulses Scientific Reports, V. 11, Article number: 1961 (год публикации - 2021)
10.1038/s41598-021-81275-8

16. Архипов Р.М., Пахомов А.В., Архипов М.В., Бабушкин И.В., Розанов Н.Н. Stable coherent mode‑locking based on pi pulse formation in single‑section lasers Scientific Reports, V. 11, Article number: 1147 (год публикации - 2021)
10.1038/s41598-020-80775-3

17. Архипов Р.М., Архипов М.В., Шимко А.А., Бабушкин И., Розанов Н.Н. Self-induced transparency mode-locking: towards to single-cycle pulses 2020 International Conference Laser Optics (ICLO), 020 International Conference Laser Optics (ICLO), 2020, pp. 1-1 (год публикации - 2020)
10.1109/ICLO48556.2020.9285588

18. Архипов Р.М., Архипов М.В., Шимко А.А., Бабушкин И., Демиркан А., Моргнер У., Розанов Н.Н. Experimental observation of rogue-waves in a system of dissipative self-induced transparency solitons in a Ti:sapphire laser proc. of 2020 International Conference Laser Optics (ICLO), 2020 International Conference Laser Optics (ICLO), 2020, pp. 1-1 (год публикации - 2020)
10.1109/ICLO48556.2020.9309148

19. Архипов Р.М., Архипов М.В., Пахомов А.В., Бабушкин И., Розанов Н.Н. Generation of unipolar pulses and their interaction with quantum systems proc. of 2020 International Conference Laser Optics, 2020 International Conference Laser Optics (ICLO), 2020, pp. 1-1 (год публикации - 2020)
10.1109/ICLO48556.2020.9285877

20. Архипов Р., Архипов М., Пахомов А., Бабушкин И., Демиркан А., Моргнер У., Розанов Н.Н. Unipolar half-cycle pulses and their applications for efficient excitation and selective ultrafast control of atomic systems Proc. of International Conference on Ultrafast Phenomena, The 22nd International Conference on Ultrafast Phenomena 2020, F. Kärtner, M. Khalil, R. Li, F. Légaré, and T. Tahara, eds., OSA Technical Digest (Optical Society of America, 2020), paper Tu4B.37. (год публикации - 2020)

21. Архипов Р. М., Архипов М. В., Розанов Н. Н. ВОЗМОЖНОСТЬ ГОЛОГРАФИЧЕСКОЙ ЗАПИСИ ПРИ ОТСУТСТВИИ ВЗАИМНОЙ КОГЕРЕНТНОСТИ ОПОРНОГО И ПРЕДМЕТНОГО ПУЧКОВ С ПОМОЩЬЮ УНИПОЛЯРНЫХ СУБЦИКЛОВЫХ ИМУЛЬСОВ Труды конференции Фундаментальные проблемы оптики-2020 (год публикации - 2020)

22. Архипов Р.М., Архипов М.В., Шимко А.А., Бабушкин И.В., Розанов Н.Н. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ НАБЛЮДЕНИЕ ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ СОБЫТИЙ В ГЕНЕРАЦИИ ТИТАН-САПФИРОВОГО ЛАЗЕРА С КОГЕРЕНТНЫМ ПОГЛОТИТЕЛЕМ Труды конференции "Фундаментальные проблемы оптики-2020" (год публикации - 2020)

23. Архипов Р.М., Архипов М.В., Розанов Н.Н. Когерентная синхронизация мод, как способ получения предельно коротких световых импульсов Труды XXV Международного симпозиума «Нанофизика и наноэлектроника", 9–12 марта 2021 г., Нижний Новгород, Нанофизика и наноэлектроника. Труды XXV Международного симпозиума (Нижний Новгород, 9–12 марта 2021 г.) В 2 т. Том 2. — Нижний Новгород: Изд-во Нижегородского госуниверситета, 2021. — 460 с. Стр.558-559. (год публикации - 2021)

24. Архипов Р.М. Электромагнитно индуцированные решетки атомных населенностей, создаваемые с помощью предельно коротких световых импульсов (Миниобзор) Письма в ЖЭТФ, том 113, вып. 10, с. 636 – 649 (год публикации - 2021)
10.31857/S1234567821100025

Публикации