Лазерные синтезаторы оптических частот на основе параметрических генераторов света тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

На правах рукописи

Колкер Дмитрий Борисович ЛАЗЕРНЫЕ СИНТЕЗАТОРЫ ОПТИЧЕСКИХ ЧАСТОТ НА ОСНОВЕ ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ ГЕНЕРАТОРОВ СВЕТА

Специальность 01.04.05 - оптика

АВТОРЕФЕРАТ • диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

1 2 МАЙ 2011

Томск - 2011

4845975

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Новосибирский государственный технический университет»

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор

Пономарев Юрий Николаевич

доктор физико-математических наук Донин Валерий Ильич

доктор физико-математических наук, профессор Тарасенко Виктор Федотович

Ведущая организация: Национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики (ИТМО)

Защита состоится 2011 г. в 16 ч на заседании диссертационного совета

Д 003.029.01 в Институте оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН по адресу: 634021, г. Томск, пл. Академика Зуева, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН.

Автореферат разослан апреля 2011г.

Л

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физико-математических наук

Веретенников В.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Инновационный путь развития отечественной научно-производственной базы предполагает переход к новейшему технологическому укладу, базовыми направлениями которого являются наноэлектроника, биотехнологии и информатика. Успешное развитие этих направлений оказывается весьма проблематичным без современного аналитического и метрологического обеспечения, которое в большой степени основывается на прецизионных лазерных технологиях. Уникальные возможности этих технологий обеспечиваются постоянным улучшением характеристик излучения лазерных источников и успехами лазерной спектроскопии, что позволило поставить на практическую основу, например, методики регистрации и идентификации следовых количеств атомов и молекул. В русле этих исследований и разработок лежит очень важная проблема создания на базе лазерных источников излучения основанных на атомных и квантовых явлениях эталонов длины и времени и, соответственно, методов измерения длины волны и частоты излучения.

Прямые измерения частоты, как известно, требуют подсчёта числа электромагнитных колебаний в единицу времени. Для измерения высоких частот требуется техника гетеродинирования, основанная на смешении частот двух генераторов (частота излучения одного из них известна) и измерении генерируемой разностной частоты. Известная частота может быть синтезирована с помощью нелинейного устройства как точная гармоника непосредственно измеряемой более низкой частоты.

Создание фемтосекундных лазеров с широкой линией излучения больше оптической октавы привело к реализации сличений стандартов частоты от радио- до оптических диапазонов с погрешностью определяемой воспроизводимостью стандартов [1-5]. Исследования показали, что межмодовая частота лазеров с самосинхронизацией мод может быть стабилизирована при синхронизации частотой внешнего высокостабильного генератора

[3].

Для обеспечения связи между стандартом частоты и фемтосекундным синтезатором важными элементами лазерной линейки являются нелинейные преобразователи частоты. Весьма перспективным оказывается и применение параметрических генераторов света, хотя для метрологических целей последние требуют синхронизации фаз сигнальной и холостой волн. Комбинация таких генераторов, при условии синхронизации фазы между сигнальной и холостой, с СКИ лазерами еще более расширяет возможности частотных измерений и

создания многочастотных стабильных реперов, расположенных в широкой области спектра [6-18].

В [21] сообщается о создании трехрезонаторного параметрического осциллятора на основе двухсекционного кристалла из ниобата лития, который накачивался МОРА системой в области 812 нм. Другой эксперимент [20], в котором также использовался PPLN кристалл с накачкой 500 мВт лазером в области 532 нм, позволял осуществить деление частоты на 3. В этом эксперименте использовались два каскадных преобразования генерации разностной частоты. При этом для осуществления операции 3:2 требовалось два входных сигнала. Однако диапазон самосинхронизации фазы в [20, 21] был экстремально мал для осуществления стабильной работы этих устройств и их практического применения. В ряде работ отмечается возможность использования ПГС-ССФ для генерации сжатых состояний света и ярких запутанных состояний света [21-23].

В традиционном, невырожденном ПГС разность фаз сигнальной и холостой волн являются случайными величинами, которые возникают из-за стохастических процессов [612], происходящих от спонтанных параметрических шумов флюоресценции. В ПГС с самосинхронизацией фазы (ПГС-ССФ) разность фаз между сигнальной и холостой волнами остается величиной постоянной, что позволяет использовать эти устройства в метрологических задачах.

Цель работы

Целью диссертационной работы является разработка, создание и исследование лазерных синтезаторов оптических частот для задач фундаментальной метрологии, спектроскопии высокого разрешения и абсолютного измерения оптических частот от ультрафиолетового до среднего ИК-диапазона с высокой точностью.

Достижение цели потребовало решения следующих задач:

- разработки и создания экспериментальной установки для измерения оптических частот с высокой точностью в широком спектральном диапазоне от ультрафиолетового до ИК-диапазона на основе фемтосекундного лазера с/^/"интерферометром

- проведение абсолютных измерений оптических частот переходов молекулярного йода в области 532 нм, 87Sr и 88Sr, измерения изотопических сдвигов в атоме стронция

- создания и исследования прецизионных оптических делителей частот (ПГС-ССФ) на основе кристаллов из периодически поляризованных структур ниобата лития с составной геометрией нелинейного элемента. Исследование области устойчивости и возможности пассивного механизма фазового захвата, не требующего активных систем фазовой привязки

4

-экспериментального исследования зависимости диапазона фазового самозахвата от различных факторов - температуры, длины волны накачки ПГС и мощности накачки

-экспериментального подтверждения генерации Хопф нестабильностей в ПГС ССФ в различной конфигурации оптического резонатора

- исследования каскадных режимов генерации в ПГС с составной геометрией нелинейного элемента. Исследование пятичастотного режима осцилляции в параметрических генераторах с составной геометрией нелинейного элемента

- проведения экспериментальных исследований новых современных преобразователей частот на основе структур с компенсацией угла сноса. Данные структуры предназначены для использования в схемах синтеза и абсолютного измерения оптических частот

- измерение эффективности преобразования в этих структурах по сравнению с монолитными образцами. Экспериментальное исследование неконтролируемого эффекта влияния передаточной функции нелинейного двулучепреломляющего фильтра и проверка теории сфокусированных пучков для структур с компенсацией угла сноса.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1. Измеренная частота перехода s2 'So~ 5s5p 3Ро в атоме 87Sr составляет:

v (5s21 So - 5s5p 3Р0) = 429 228 004 235 ± 20 кГц

2. Физические особенности самосинхронизации фазы в двухрезонаторном и трехрезонаторном параметрическом генераторе не отличаются. При сканировании резонатора ПГС вблизи точки деления частоты на 3 возникает провал интенсивности и уширение собственной моды резонатора ПГС. Хопф - нестабильности возникают при превышении над порогом в N=20 для двухрезонаторного ПГС. Для трехрезонаторного ПГС данный эффект наблюдался при N = 4.

3. При отстройке частоты ПГС-ССФ от точки деления на 3 на величину кратную межмодовому интервалу ПГС в трехрезонаторном ПГС наблюдается мультикаскадный режим с генерацией боковых частот (аналог фемтосекундного комба в среднем ИК).

4. Диагностикой режима 3:2:1 в двухрезонаторном ПГС-ССФ является вырождение "вложенного пятичастотного " ПГС.

5. Использование ПГС с самосинхронизацией фазы, в комбинации с фемтосекундным лазером позволяют выполнить абсолютные измерения оптических частот в широком спектре от УФ- до среднего ИК-диапазона

При создании синтезаторов оптических частот в среднем ИК-диапазоне кристаллические структуры с компенсацией угла сноса являются альтернативой классическим периодически-поляризованным структурам.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

1. Впервые измерены частоты переходов атома стронция при помощи фемтосекундного синтезатора с относительной точностью 10'".

2. Создан параметрический осциллятор с делением частоты на 3 в двухрезонаторной и трехрезонаторной конфигурации. В качестве нелинейного элемента применялась периодически-поляризованная структура из ниобата лития с составной геометрией.

3. Экспериментально показано, что в ПГС-ССФ может быть использован пассивный механизм стабилизации частоты, который не требует электронных систем фазового захвата.

4. Экспериментально показано наличие двух режимов работы ПГС-ССФ:

1) Одночастотного режима при делении частоты на 3.

2) Многочастотного режима работы ПГС с возможностью генерации боковых частот. При наличии оптики с компенсацией дисперсии возможно получение пассивной синхронизации мод в ПГС-ССФ в ближнем и среднем ИК-диапазоне.

5. Экспериментально получен пятичастотный режим генерации в двухрезонаторном параметрическом осцилляторе.

6. Экспериментально показано, что в пятичастотном параметрическом осцилляторе диапазон перестройки между вторичной сигнальной и вторичной холостой частотами достигает 200 нм.

7. Экспериментально показано, что эффективность преобразования во вторую гармонику в 10 секционном ОС\¥ОС - кристалле с компенсацией угла сноса по сравнению с монолитным кристаллом увеличивается до 22 раз.

Научная и практическая значимость работы

Измерены частоты перехода атома стронция с относительной точностью 10'". В ПГС с самосинхронизацией фазы (ПГС-ССФ) возможен пассивный механизм фазового захвата, который не требует специальных электронных устройств фазовой

ПГС с самосинхронизацией фазы, в которых используется принцип конкуренции двух нелинейностей -/_(1) в комбинации с фемтосекундным лазером дают возможность для абсолютного измерения оптических частот в среднем ИК-диапазоне. Провал интенсивности на сигнальной и холостой частотах облегчает диагностику эффекта фазового самозахвата в ПГС-ССФ. Уширение собственной моды резонатора ПГС-ССФ приводит к выгодному увеличению полосы пропускания для системы фазовой привязки.

Делитель частоты на 3 на основе ПГС-ССФ с накачкой второй гармоникой Nd:YAG лазера, стабилизированного по резонансу насыщенного поглощения молекулярного йода в области 532 нм, позволяет осуществлять синхронизацию частот Ti:Sa и Cr:Fr фемтосекундных лазеров.

Каскадный режим генерации ПГС открывает возможности для создания непрерывных пятичастотных оптических параметрических осцилляторов с любыми комбинациями частот, которые могут быть заданы величиной периода Ai и Кг соответствующей секции в периодически поляризованной структуре из ниобата лития или КТР. При этом специальная разветвленная конфигурация в структуре нелинейного элемента позволяет перестраивать вторичный ПГС в широком диапазоне, достигающем нескольких сотен нанометров. При этом частоты первичного ПГС не изменяются, поскольку величина периода в ПГС секции не зависит от координаты Y.

Генерация п стабильных фазовых состояний, эквидистантно разнесенных на величину 2и!п с одинаковой интенсивностью, предоставляет возможность для кодирования информации в координатах интенсивность-фаза применительно к квантово-информационным задачам.

Кристаллические структуры с компенсацией угла сноса являются дополнением классическим PPLN и РРКТР для преобразования из видимого и ближнего ИК-диапазона в ИК-диапазон, а также из видимого в УФ диапазон.

Публикации и апробация работы. Материалы, отражающие основные результаты,

полученные в диссертации, опубликованы в 55 работах. 32 работы из 55 цитируются

международной базой данных Scopus (отмечены звездочкой в списке). Результаты,

изложенные в диссертации, представлены на Международных и всероссийских

конференциях: LM 2002, Novosibirsk, (2002),Workshop on Atom Optics and Interferometry 2002

(Lunteren, Holland), XI Conference on Laser Optics, St. Petersburg, Russia (2003), CLE02003

(USA, Baltimore), Laser Optic 2003 (St. Petersburg, Russia), 17th European Frequency and Time

Forum and 2003 IEEE, International Frequency Control Symposium (Tampa, USA), Second

Workshop on Cold Alkaline-Earth Atoms 2003 (Copenhagen, Denmark), CPEM 2004 (London),

MPLP2004 (Novosibirsk, Russia), CLEO-Europe 2005 (Munich, Germany), CLE02006 (USA),

7

ICON02007 (Минск, Беларусь), AMPL2007 (Томск, Россия), АПЭП 2008, SPIE PHOTONICS WEST 2009 (Berlin), Laser Optic 2010 (С.Петербург), ICON02010 (Казань), АПЭП2010 (Новосибирск).

Результаты, изложенные в диссертации, лично доложены соискателем на семинарах Новосибирского Государственного Технического Университета и Института Лазерной физики СО РАН, Института Геологии и Минералогии СО РАН, Института Оптики атмосферы СО РАН (г. Томск), Парижской обсерватории (BNM-SYRTE), Института Национальной метрологии Франции (INM-LNE-CNAM), Массачусетского Технологического Института (RLE-MIT, США), Пизанского университета (Италия), Института Макса Борна (Германия), ИТМО (С.Петербург).

Личный вклад соискателя. Соискателем разработаны и созданы полупроводниковые лазеры с внешним резонатором в области 809-830 нм, которые использовались в качестве усилителей отдельных мод фемтосекундного титан-сапфирового лазера. При участии соискателя предложена и создана схема синтеза частот в области 88 ТГц для фемтосекундных оптических часов нового поколения на основе генератора суммарной частоты между Nd:YAG лазером и He-Ne/CH| стандартом. Реализована схема оптического гетеродинирования и получен сигнал биений между сигналом на суммарной частоте и полупроводниковым лазером с внешним резонатором в области 809 нм. Реализована фазовая привязка полупроводникового лазера в области 809 нм по сигналу биений. Таким образом, разность частот между полупроводниковым лазером и Nd:YAG лазером точно равна частоте He-Ne/CHt стандарта.

При непосредственном участии соискателя создан фемтосекундный синтезатор с f-2f интерферометром для абсолютного измерения частот переходов +Sr и молекулярного йода. Произведены абсолютные измерения частот переходов молекулярного йода в области 532 нм. Проведена серия экспериментов по абсолютному измерению частот переходов атома +Sr.

Соискателем теоретически обоснован механизм пассивной синхронизации мод в ПГС с составной конфигурацией нелинейного элемента из периодически-поляризованной структуры на основе кристалла ниобата лития.

Соискателем создан параметрический генератор в трехрезонаторной конфигурации с накачкой полупроводниковой системой мастер осциллятор - полупроводниковый усилитель в области 842-845 нм. Получен режим самосинхронизации фазы в трехрезонаторном ПГС, продемонстрирован одночастотный режим осцилляций с делением частоты на 3 и многочастотный мультикаскадный режим (аналог режима синхронизации мод) в ПГС с составной конфигурации нелинейного элемента. Создана система диагностики на основе трех интерферометров Фабри-Перо для анализа модовой структуры ПГС. Исследованы

8

зависимости диапазона фазового самозахвата от различных факторов: длины волны накачки, температуры, параметра нелинейной связи. Впервые экспериментально продемонстрированы Хопф нестабильности в трехрезонаторном ПГС.

Соискателем разработан и создан двухрезонаторный ПГС с самосинхронизацией фазы и двухпроходной накачкой второй гармоникой Nd:YAG лазера. Продемонстрирован пятичастотный режим в ПГС составной конфигурации нелинейного элемента, когда первичная сигнальная волна является источником накачки вторичного ПГС. Проанализированы и исследованы все факторы, которые влияют на оптимизацию диапазона перестройки вторичного ПГС при фиксированных параметрах первичного ПГС. Экспериментально исследована область устойчивости двухрезонаторного ПГС с самосинхронизацией фазы с делением частоты на 3. Проведены сравнительные исследования нелинейной динамики двух- и трехрезонаторного ПГС с самосинхронизацией фазы (RLE-MIT, Cambridge, USA и BNM-SYRTE, Париж).

Соискателем проведена серия экспериментов по исследованию преобразователей частоты на основе периодических структур с компенсацией угла сноса (2N-OCWOC). На основе экспериментальных результатов соискателем показано, что структуры с компенсацией угла сноса являются альтернативой периодически-поляризованным структурам в среднем ИК-диапазоне (BNM-SYRTE, Париж).

При доминирующем участии соискателя проведена серия экспериментов по наносекундной параметрической генерации на основе новых нелинейных сред -халькогенидов. Разработан и продемонстрирован параметрический осциллятор с широким (4.7 - 9 мкм) диапазоном перестройки холостой волны (MBI, Berlin) на основе кристалла LiInSe2 с накачкой мощным импульсным Nd:YAG лазером. Проведена серия экспериментов по исследованию оптических свойств кристаллов - халькогенидов LiInSe2, LiInS2 и LiGaSj. Экспериментально исследованы пороги разрушения этих структур с целью создания высокоэнсргстичных ПГС для устройств силовой оптики.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и двух приложений. Общий объем - 277 страниц, в том числе 233 страницы основного текста с 122 рисунками, 2 приложений и списка литературы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проведенных исследований, определены цель и задачи работы, показана новизна полученных результатов и их научная и практическая значимость, приведены основные защищаемые положения, изложены структура работы и ее краткое содержание, приведены основные данные о публикациях по теме диссертации.

В первой главе диссертации обсуждаются методы измерения оптических частот при помощи синхронизованных мод Ti:Sa лазера, представлена схема синтеза оптических частот в области 88 ТГц для фемтосекундных оптических часов. Экспериментальная установка была разработана и изготовлена под руководством соискателя в рамках молодежного проекта СО РАН (руководитель проекта соискатель в 2002 году за достигнутые результаты, был отмечен Президиумом СО РАН юбилейной медалью академика Лаврентьева). Работы по использованию фемтосекундных лазеров в метрологических задачах были продолжены совместно с LNE-SYRTE (Парижская обсерватория). В первой главе также описаны результаты совместных экспериментов с французской лабораторией LNE-SYRTE по измерению частот переходов в атоме стронция. Создана универсальная экспериментальная установка на основе фемтосекундного лазера с f-2f интерферометром. Установка предназначена для прецизионного измерения оптических частот в широком оптическом диапазоне от 400 нм до 1100 нм. Представлены результаты измерений частот переходов в молекулярном йоде и атоме стронция с высокой точностью.

Все измерения частот переходов стронция производились при помощи экспериментальной установки, представленной на рис 1. Частота диодного лазера с внешним резонатором (ECDL1) стабилизировалась по высокодобротному интерферометру [24],[25]. Ширина линии лазера составила 35 Гц. Частота ECDLi лазера измерялась при помощи фемтосекундного лазера с f-2f интерферометром. Точность измерения составила ЗхЮ"13 при времени усреднения в 1 сек. ECDLi лазер является частотным репером для второго диодного лазера ECDL2, излучение которого было пробным для атомов стронция. ECDL2 лазер был стабилизирован по фазе с ECDL2 лазером: сигнал биений регистрировался на лавинном фотодиоде (APD) и смешивался с сигналом

Резонатор Фзбри-Пер о

Рис 1. Экспериментальная установка

от радиочастотного синтезатора для генерации сигнала ошибки. Полоса фазовой привязки составила 2 МГц. Под воздействием радиочастотного синтезатора частота ЕСЭЬ? лазера непрерывно перестраивалась на величину межмодового интервала внешнего резонатора (1.5 ГГц) лазера. Для пробной детекции частот переходов в стронции это было очень важно (рис 2), т.к. частоты переходов не были точно известны. Чтобы измерить частоты всех атомных переходов в эксперименте использовались два набора полупроводниковых лазеров.

Первый набор лазеров (от 675 нм до 685 нм) использовался для измерения частоты перехода '8о-3Рь диапазон перестройки второго набора лазеров составил 685-698 нм. За исключением частоты перехода 'Бо-3?! 885г, измерения" частот произведены для холодных

атомов, захваченных в магнитооптической ловушке. Атомный пучок замедлялся в Zeeman slower и захватывался в точке пересечения трех лучей от лазера в области 461 нм.

688 nm

461 nm (32 MHz)

689 nm iS0 (7.6 kHz)

698 nm (87Sr: 1 mHz)

Рис 2. Переходы в атоме стронция

Для этих экспериментов в магнитооптической ловушке захватывается 107 атомов 88 Бг или 106 атомов 875г. В захваченном состоянии атомный "клубок" имеет диаметр 1/е2 около 2 мм и температуру 2 мК. Подробное описание эксперимента приводится в работе [25].

Результаты абсолютного измерения частоты перехода и (Ч - 3Ро) позволяют определить константу сверхтонкой структуры состояния ^ в атоме стронция и изотопический сдвиг 3Ро, 3Р1 и 351 состояний. Были продемонстрированы два способа измерения частоты перехода ^о — 3Ро в атоме 878г. Осуществлена прямая детекция резонанса 'Бо — 3Р0 (температура 2мК). При регистрации утечки в МОТ к состоянию 3Ро, контраст резонанса улучшался на порядок по сравнению с методом насыщенной флюоресценции. [26]. Данная методика может быть использована для детекции запрещенного перехода 'Бо — 3Ро в атоме УЪ и других редкоземельных элементах. Время жизни УЪ атома в МОТ при переходе 'Бо — 3Р1[27] на два порядка больше чем для Бг, а контраст резонанса может быть максимальным ( порядка 100%).

Реализация экспериментальной установки для спектроскопии атомов 87Бг и абсолютного измерения частоты перехода 'Бо — 3Ро является первым шагом для создания атомных оптических часов нового поколения - оптических часов с холодными атомами

[27]. Создание таких оптических часов является очередным шагом в развитии современной науки и техники.

Вторая глава диссертации посвящена теоретическому исследованию прецизионных делителей частоты, использование которых в комбинации с фемтосекундным лазером позволит значительно расширить область применения прямых измерений оптических частот от видимого до среднего ИК-диапазона.

Прецизионные делители частоты 3-=-1 относятся к новому классу нелинейных преобразователей оптических частот. Динамика делителя частоты определяется двумя процессами, происходящими в резонаторе ПГС. Первый процесс это параметрическая

генерация, при которой в ПГС секции происходит распад фотона накачки ^оро( ЗоХ2ю, со) на два фотона - сигнального = 2со) и холостого (со,- = ю). В ГВГ - секции происходит

Хчнг(_2со;ш,(о)

удвоение частоты холостой волны № . если соотношение частот при этом

составляет 3:2:1, то наблюдается самоинжскция удвоенной холостой и сигнальной волны в резонаторе ПГС.

На рис 3 представлена диаграмма двух возможных процессов, которые могут наблюдаться в системе с конкуренцией двух нелинейностей. Случай (а): осцилляции вблизи точки деления на 3. В этом случае осцилляции имеют место при соотношении частот, (иГ, вИ = (2(о-е, со+ е) и деление осуществляется при е = 0 или е<До>|ОСк, где Дш|ОСкдиапазон фазового самозахвата. При параметрических осцилляциях возможна дополнительная нелинейная зависимость фазы, которая обусловлена каскадной нелинейностью Хоро • Хэна •

(о+8 (о-28 №+45

I 1 1

Рис 3: Диаграмма, показывающая два нелинейных процесса в ПГС-ССФ

Е (а)

р

? (Ь)

Т(°С)

Рис 4. Определение параметра фазовой расстройки /;. При заданной конфигурации кристаллической структуры РРЬЫ процессы ПГС и ГВГ оптимальны при разных температурах. Температурная ширина синхронизма для ГВГ секции в 5 раз больше чем для ПГС секции

Случай (б) - многомодовые осцилляции, которые могут возникать при отстройке частоты (2со - 5, со + 8). При прохождении через ГВГ секцию может возбуждаться большое количество дополнительных сигнальных и холостых мод. При этом, если Дш„у=2ж/Лор, |3<5| = иД<Уса„

то возможна моногомодовая генерация оптических частот в резонаторе ПГС, как показано на рис. 3 б.

При заданной конфигурации кристаллической структуры РРи<1 процессы ПГС и ГВГ оптимальны при разных температурах. Температурная ширина синхронизма для ГВГ секции в 5 раз больше чем для ПГС секции. На рис 4 графически представлен параметр фазовой расстройки с;. Динамика системы с конкуренцией двух нелинейностей (рис 4) была исследована теоретически в [6,7].

В системе с конкуренцией двух нелинейностей может наблюдаться режим "вложенного параметрического генератора". Рассмотрим отдельно ГВГ-секцию нелинейного элемента РРЬ>1. Как только внутрирезонаторная интенсивность на частоте 2ю достигает некоторого критического значения, то вторичный ПГС вблизи вырожденного режима, порождает две дополнительных сигнально-холостых частоты (со-6, со+8). Таким образом, в ПГС с составной геометрией нелинейного элемента возможен пятичастотный режим генерации, который будем называть ПГС с внутренней накачкой.

Разность фаз между сигнальной и холостой волной в традиционном ПГС является стохастической величиной, в то время как в ПГС-ССФ она остается постоянной величиной. Более того, теоретический анализ ПГС-ССФ предсказывает три стабильных состояния фазы (ф 5,фр) разделенных на 2л/3, которые могут наблюдаться при одной и той же интенсивности (/,, /,•) [6.7]. ПГС-ССФ может быть использован для кодирования информации в координатах интенсивность - фаза.

Во второй главе приводится математическая модель ПГС-ССФ и представлены результаты теоретических исследований системы с каскадной нелинейностью [29].

В работе [6] теоретически показано, что использование внутрирезонаторной каскадной нелинейности х(ПГС):х(ГВГ) вызывает эффект самоинжекции между волнами субгармоники, который, в свою очередь, приводит к самосинхронизации фазы между тремя взаимодействующими волнами в ПГС. Этот эффект не наблюдается в традиционном ПГС, поскольку разность фаз между сигнальной и холостой волной является неопределенной величиной. Двухрезонаторный и трехрезонаторный ПГС-ССФ могут обладать широким диапазоном фазового самозахвата, что продемонстрировано в последующих разделах при описании эксперимента. Порог параметрической генерации в ПГС-ССФ идентичен порогу генерации в традиционных ПГС. Использование внутрирезонаторной каскадной нелинейности приводит к критическому поведению даже в случае двухрезонаторного ПГС(ОГЮ) или РЯЭЯО (ПГС с резонансом на сигнальной волне и волне накачки). При увеличении мощности накачки возникают Хопф-нестабильности. Наличие каскадной внутрирезонаторной нелинейности снимает перестроечные ограничения, которые присущи традиционным ПГС, и позволяет осуществлять точный контроль разности фаз между сигнальной и холостой волнами.

Диапазон фазового самозахвата будет зависеть от величины параметра нелинейной связи. Если для однорезонаторного ПГС этот диапазон значительно меньше собственной ширины линии резонатора (узкий диапазон самоинжекции), то для двух и трехрезонаторного ПГС-ССФ диапазон фазового самозахвата может быть в несколько раз больше, чем собственная ширина линии резонатора.

Двух- и трехрезонаторные ПГС-ССФ обладают более богатой нелинейной динамикой, чем однорезонаторные ПГС. Для однорезонаторного параметрического осциллятора Хопф -раздвоения теоретически не обнаружены. ПГС с самосинхронизацией фазы могут быть использованы в специальных задачах, таких как прецизионные измерения оптических частот в среднем ИК-диапазоне, или Фурье синтез ультракоротких оптических импульсов, в которых требуется высокая степень когерентности между волнами оптических гармоник.

В третьей главе представлены экспериментальные результаты исследования трехрезонаторного параметрического осциллятора с самосинхронизацией фазы с накачкой МОРА системой в области 842-845 нм.

Нелинейный элемент ПГС-ССФ представляет собой периодически поляризованную структуру из ниобата лития с составной геометрией (рис 5) размером 11x0.5x30 мм3 (апертура11x0.5мм2). Кристалл состоит из 8 дорожек, но только 6 дорожек из них могут быть использованы для реализации ПГС-ССФ. На крайних дорожках реализуется только традиционный ПГС. поскольку для них длина ГВГ-секции равна нулю. Таким образом, переместив кристаллический чип на крайнюю дорожку, мы имеем возможность сравнения динамики ПГС-ССФ и традиционного ПГС. Длина ПГС-секции кристалла составляет ¿1=20 мм.

ГВГ-секция состоит из шести дорожек различной длины, дорожки 1-3 имеют величину периода Lt=34.8 мкм и отличаются по длине в 3 раза. Такая конфигурация чипа позволила изучить влияние величины параметра нелинейной связи S на динамику ПГС-ССФ.

Оптический резонатор ПГС образован двумя менисками из ZnSe с радиусом кривизны R=50 мм. Зеркала установлены на расстоянии 11 см, причем, именно при этом расстоянии резонатор оказался квазисферическим. При эффективной длине резонатора Aopt/2 ~ 100 мм диаметр перетяжки составлял wp=70jjm при фокусном расстоянии согласующей линзы между лазером накачки и резонатором 150 мм. Излучение выводилось из резонатора через CaF2 пластинку

Кластер трехрезонаторного ПГС наблюдался на положительной стороне > 0) приложенного пилообразного напряжения, во избежание уширения всвязи с оптотермической самостабилизацией оптического пути на негативной стороне, который будет затруднять экспериментальное наблюдение провала интенсивности. Кластеры накачки, сигнальной, холостой и резонансы пропускания конфокального Фабри-Перо интерферометра синхронно записывались на цифровом осциллографе. На рис 6 представлен кластер трехрезонаторного ПГС. Провал интенсивности возникал при температуре кристалла 135°С. При тонкой подстройке температуры позиция провала перемещалась относительно центра кластера. Если температура PPLN кристалла изменялась, более чем на 0.1 °С, то провал исчезал. Провал интенсивности не наблюдался, когда позиция кристалла соответствовала крайней дорожке при S=0.

Рис 5. Конфигурация нелинейного элемента

При прохождении точки 3:2:1 форма кластеров изменяется, и возникают особенности: на рисунке 6 виден явный провал интенсивности и уширение собственной моды резонатора. В то время как последовательные перескоки пар мод (сигнальной и холостой) возникают при изменении длины резонатора на 1 нм [29,30], частота для ССФ моды не изменяется при изменении длины резонатора на 45 нм и интенсивность накачки остается на прежнем уровне. Калибровка диапазона фазового самозахвата производилась при сравнении ширины резонансов на конфокальном интерферометре Фабри-Перо при регистрации ССФ мод и не ССФ мод (ширина 1 МГц). При выключении сканирования ПГС может стабильно находиться в состоянии фазового самозахвата в течение нескольких минут без электронных систем фазовой привязки.

В третьей главе представлены два режима работы ПГС-ССФ. Экспериментальные результаты анализа спектра пропускания конфокального Фабри-Перо интерферометра (рис 7) и тонкого эталона Фабри-Перо, (рис 8) доказывают наличие двух режимов работы ПГС-ССФ. В случае деления частоты на 3 ПГС работает в одночастотном режиме, при отстройке частоты от точки 3:1 наблюдается многочастотный режим (рис 8).

При настройке частот ПГС в соотношении (Зсо, 2ю-8, ш+8) где 5«ш, разность частот между сигнальной волной и удвоенной холостой будет равна 38. Когда удвоенная холостая частота не согласована с одной из мод резонатора, то мы имеем дело с традиционным ПГС. Но если параметрический генератор настроен таким образом, что 38 = ГВЯ^с/Л, то удвоенная холостая частота способствует образованию новой моды с частотой (2со+ 28, со-28) и т.д. Полоса параметрического усиления ПГС составляет обычно несколько ТГц (в случае

Изменение длины резонатора, нм

некритичного синхронизма), при этом эквидистантно расположенные моды с интервалом 38 могут наблюдаться, поскольку уровень накачки будет достаточным

Такие комплексные системы открывают возможность для создания ПГС с синхронизацией мод в широком диапазоне спектра (в диапазоне прозрачности РРЦ-! и РРКТР) с пассивным механизмом синхронизации мод. На выходе ПГС с синхронизацией мод обнаруживаются последовательности импульсов с частотой следования равной РБЯ резонатора ПГС при условии, что относительная фаза между близлежащими модами зафиксирована, и дисперсия групповой скорости скомпенсирована.

7---1---*---1---1-

Рис 6. Самосинхронизация фазы: провал интенсивности иуширение собственной моды резонатора

л

о в

ш s

CJ

а ю н X

Рис 7. Анализ двух режимов при помощи конфокального интерферометра Фабри-Перо

и _

v>

'J

'J

Рис 8. Анализ двух режимов работы ПГС-ССФ (многомодового и 3:1) при помощи тонкого Фабри-

Перо: FSR = 150 GHz, F = 4000. а) Мультикаскадныйрежим, б) Режим деления частоты на 3

Частота, МГц

( ■ « , . — , —,— . - *

о

Одночасю! ньш

релснм-.>:2:1

1 1 1 1 I ' I

Чисготя. ГГц

В четвертой главе представлены экспериментальные результаты исследования двухрезонаторного параметрического осциллятора с самосинхронизацией фазы с накачкой второй гармоникой Ш:УАС лазера в области 532 нм.

Для создания двухрезонаторного ПГС-ССФ была выбрана специальная конфигурация, в которой величина периода в ГВГ секции не является постоянной. При дизайне нелинейного элемента с составной конфигурацией необходимо быть уверенным в том, что два процесса фазового синхронизма хорошо согласованы при одинаковой температуре. Однако сложно предусмотреть, каким образом можно согласовать размеры периодов ПГС и ГВГ секций, исходя из эмпирических уравнений Солмейера. При изготовлении структуры невозможно избежать технологической ошибки, которая может составлять 0.05 А для каждого периода РРЬЫ структуры.

Методика, которая использовалась при дизайне нелинейного элемента, заключается в том, что данная секция РРЦЧ кристалла имела постоянно изменяющуюся величину ГВГ-периода. Достоинством данной методики является возможность постоянной перестройки условий фазового синхронизма в ГВГ-секции при перемещении кристалла вдоль оси У (рис 9). При фиксированной величине периода ПГС-секции А\=7.2 мкм, условия фазового синхронизма для ПГС-секции могут достигаться при 170°С с ожидаемой температурной полосой в 1.5°С. ГВГ-период варьируется вдоль оси У от Дг= 19.45 мкм до 19.85 мкм. Изменение У-позиции кристалла позволяет эффективно изменять величину периода в разветвленной конфигурации. Это является преимуществом по сравнению с мульти-трековым методом, описанным в третьей главе при дизайне трехрезонаторного ПГС-ССФ. Изменение величины периода в разветвленной ГВГ-секции выбрано таким образом, чтобы обеспечить условия фазового синхронизма при изменении температуры в 40°С при условии, что позиция кристалла может измениться от середины до одного из краев.

Стоит отметить, разработанная конструкция монолитного резонатора ПГС не нуждалась в юстировке в течение полутора лет. При конструировании механических элементов резонатора необходимо учитывать влияние вибраций, температурных градиентов, а также воздушных конвекционных потоков, которые имели место в данной системе, поскольку рабочая температура кристалла лежала в области 170-205 °С.

Постоянный Разветвленная период конфигурация

ВР I

Л -метр

Нагачка

Рис 9■ Схема экспериментальной установки двухрезонаторного ПГС-ССФ. Р/.Т пьезоэл&иент, ВР -фильтр, пропускситций частоту накачки; ЬР1, ЬР2 - фильтры, пропускающие частоту холостой и сигнальной волны соответственно.

Поиск режима деления частоты на 3 происходил следующим образом: на первом этапе работы мы изменяли температуру кристалла пошагово с интервалом в 0.1 °С в диапазоне от 200 до 207°С при фиксированной мощности накачки 100 мВт. На втором этапе работ на каждом шаге, после стабилизации температуры кристалла, мы включали активную стабилизацию частоты ПГС. В захваченном состоянии измерялясь частота волны накачки и сигнальная частота при помощи ^-метра с точностью до 100 МГц . При температуре измерения 203.6°С соотношение частот с точностью лямбдометра оказалось равным 3:2:1. При фиксированной температуре и мощности наачки на следующем этапе мы проводили сканирование У-позиции в кристалле. В одном из положений, которое было немедленно зафиксировано и откалибровано по лимбу, наблюдалось уширение моды резонатора на сигнальной и холостой частотах. На рис 10 представлена запись кластеров ПГС для накачки, сигнальной и холостой волн (сверху вниз). При других температурах кристалла и У-позициях никогда ранее подобного поведения не наблюдалось.

I

5

Изменение длины резонатора

Рис. 10. Уширение моды резонатора сигнальной и холостой волны

При более тщательной юстировке кристалла по всем координатам и по позиции кристалла относительно перетяжки пучка накачки в резонаторе и увеличении мощности накачки до N = 10 мы получили картину, которая уже наблюдалась ранее в другой системе (с накачкой МОРА области 842 нм).

я Я

Изменение длины резонатора

Рис 11. Режим самосинхронизации фазы в двухрезонаторном ПГС. Наблюдается провал интенсивности и уширение моды резонатора

в 5

Изменение длины резонатора Рис12. Хопф— осцилляции в ССФ-ПГС при N = 20

Изменение длины резонатора

Рис 13 . Максимальное уширение моды резонатора при увеличении мощности накачки. Хопф-осцилляции при N=30

Изменение длины резонатора

Рис.14. Внутрирезонаторные биения на выходе ПГС-ССФ в области 80-110 МГц

Действительно, провал интенсивности, идентичный [29], возникал при превышении мощности накачки над пороговой в 10 раз (рис 11). В этом случае мы не наблюдали никакого насыщения выходной мощности сигнальной волны в отличие от каскадного режима. Поведение кластеров, как на сигнальной, так и холостой частотах было идентичным. Диапазон самозахвата фазы линейно увеличивался при увеличении мощности накачки. При N>20 система дестабилизировалась, и мы экспериментально наблюдали Hopf-осцилляции (рис 12, 13).

При дальнейшем увеличении мощности накачки до N=30 наблюдалось максимальное уширение моды резонатора, при этом Хопф-осцилляции наблюдались во всем диапазоне предполагаемого фазового самозахвата, что подтверждает факт полной дестабилизации системы (рис 13).

Внутрирезонаторные биения на частоте от 80 до 110 МГц были получены на pin фотодиоде между удвоенной холостой и сигнальной частотой прямо на выходе резонатора ПГС при мощности накачки 700 мВт. Биения наблюдались как на анализаторе спектра, так и на осциллографе. На рис 14 биения видны в виде острых пиков на сигнальном треке.

Пятая глава диссертации посвящена исследованию характеристик нелинейных преобразователей частоты на основе периодических структур с компенсацией угла сноса. Изобретение в XX веке периодически-поляризованных структур на основе сегнетоэлектриков позволило на порядок увеличить эффективность преобразования во вторую гармонику, при генерации разностной и суммарной частот, а также увеличить выходную мощность преобразованного излучения при создании параметрических генераторов света. Тем не менее, в среднем ИК-диапазоне эти методы уже не работают, т.к. диапазон прозрачности коммерческих кристаллов для периодически-поляризованных структур ограничен 4.5 мкм.

Многие метрологические и спектроскопические задачи требуют увеличения диапазона пропускания нелинейных элементов до 10-20 мкм, но использование монолитных кристаллов, таких как тиагаллат серебра, прустит, ZnGeP2 и т.д. связано с ограничением эффективности преобразования из-за влияния угла сноса. Дополнением периодическим структурам в ИК-диапазоне выступают кристаллические структуры с компенсацией угла сноса (2N-OCWOC структуры), в которых на оптическом контакте изготовлены специальные конфигурации из пластинок нелинейного кристалла (рис 15). Знак эффективной нелинейности периодически изменяется от пластинки, к пластинке приводя к компенсации угла сноса.

IÀ

Пк» m

(b)

Рис 15. Процедура сборки 2N-OCWOC структуры (а), (Ь) внешний вид структур (фото)

При этом эффективности преобразования во вторую гармонику в таких структурах может увеличиваться. Все исследования проводились на тестовых структурах из традиционного материала KTiP04, изготовленных французской фирмой Crystal Technology, но все наблюдаемые эффекты имеют место и в других материалах, в том числе и ИК-материалах. Эксперименты проводились на базе Французской лаборатории LNE-SYRTE (Observatoire de Paris).

В работе [31] теоретически исследовались перестроечные характеристики и эффективность преобразования новых периодических устройств на основе 2N структур из тонких пластинок на оптическом контакте при критическом фазовом синхронизме в конфигурации компенсации угла сноса (WOC). Было показано теоретически, что периодическое изменение знака эффективной нелинейности от пластинки к пластинке приводит к увеличению эффективности преобразования при критическом фазовом синхронизме в сравнении с традиционными монолитными кристаллами длиной Le- При этом может наблюдаться улучшение профиля пучка при жесткой фокусировке при 1-типе взаимодействия ГВГ. Было обнаружено, что на фоне 10-кратного увеличения эффективности

преобразования во вторую гармонику в 2N-OCWOC структурах возникает

неконтролируемый эффект влияния передаточной функции нелинейного двулучепреломляющего фильтра. Признаком фильтрующего эффекта является модуляция интенсивности второй гармоники при перестройке длины волны накачки. Этот эффект был предсказан ранее в теоретических работах французского теоретика Ж.Ж.Зонди [31], в которых использовались приближения плоских волн при расчете многоэлементных WOC конфигураций, и рассматривалась зависимость от sinc2(0/27V) функции на перестроечных кривых, где Ф = AkLc/2 - полный угол несоответствия фазы [32,33]. В работе [31] было показано, что периодические структуры характеризуются периодическим волновым вектором ошибки (+Ак,-Ак,+Ак,~Ак, ...), при этом полоса пропускания перестроечной структуры будет уширена по сравнению с полосой для одиночного элемента. При этом увеличение количества пластинок до 2N будет изменять полосу пропускания WОС системы. В работе [31] было показано, что не sine2 (Ф/IN) функция, а функция пакета будет влиять на передаточную функцию Fn.

100

? с

Г ю

о

0 о.

1 1

С/)

0,1

0 50 100 150 200 250 300 W0 (цт)

Рис.16. Эффективность преобразования во вторую гармонику для эталонного монолитного образца (Bulk) (неокрашенные окружности, Р!й1 — 15.6 нВт при со0 = 50 мкм), для lO-OCWOC структуры (окрашенные окружности, Руш = 198 нВт при со0 = 50 мкм) и для 4-OCWOC структуры (параллелограммы, Р2т = 24.5 нВт при со0 = 20мкм)

■ ^ 1 1 1 1 I ' 1 1 i ■

■ у

; Ю

•

♦

С Bulk (Lc=10 mm)

• 10-OCWOC(L=10mm) ♦

♦ 4 - OCWOC (L=4 mm) 1

Эффективность преобразования и перестроечные характеристики Ю-ОС\\ЮС и 4-ОС\УОС КТР структур были экспериментально исследованы. При этом эксперимент полностью подтвердил теоретические предположения о том, что эти структуры работают как нелинейный двулучепреломляющий фильтр. Экспериментально исследованная функция передачи нелинейного двулучепреломляющего фильтра соответствует теории идеальных 2Ы-ОС\УОС структур [31].

21Ч-ОС\УОС структуры могут быть использованы для увеличения эффективности преобразования при критическом синхронизме в различных нелинейных материалах. Однако, для плоскопараллельных пучков никакого улучшения эффективности преобразования не наблюдается.

Данные исследования показали, что в 21Ч-ОС\УОС структурах наблюдается увеличение эффективности преобразования в 22 раза по сравнению с монолитным эквивалентным образцом (рис 16). Эти результаты были получены только при оптимальной фокусировке.

В заключении приведены основные результаты диссертационной работы.

В приложении:

Представлены результаты экспериментов по созданию наносекундных ПГС на основе новых нелинейных кристаллов ШпБег с возможностью перестройки холостой волны в области 4-9 мкм. Представлены документы подтверждающие вклад соискателя при выполнении экспериментов от зарубежных и отечественных лабораторий.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Результаты абсолютного измерения частоты перехода и ('во - 3Ро) позволяют определить константу сверхтонкой структуры состояния ^ в атоме стронция и изотопического сдвиг 3Ро, 3Р: и ^ состояний. Были продемонстрированы два способа измерения частоты перехода 1 Эо — 3Ро в атоме 875г. Осуществлена прямая детекция резонанса 'Эо — 3Ро (температура 2мК). При регистрации утечки в МОТ к состоянию 3Ро, контраст резонанса улучшался на порядок по сравнению с методом насыщенной флюоресценции. Данная методика может быть использована для детекции запрещенного перехода 'во — 3Ро в атоме УЬ и других редкоземельных элементах. Время жизни УЬ атома в МОТ при переходе 'Бо — 3Р[ на два порядка больше чем для Бг, а контраст резонанса может быть максимальным (порядка 100%).

Реализация экспериментальной установки для спектроскопии атомов 873г и абсолютного измерения частоты перехода 1 Бо — 3Ро является первым шагом для создания атомных оптических часов нового поколения - оптических часов с холодными атомами. Создание таких оптических часов является очередным шагом в развитии современной науки и техники.

Исследования параметрического осциллятора с самосинхронизацией фазы в трехрезонаторной конфигурации с помощью эталонов Фабри - Перо в качестве частотных и фазовых дискриминаторов показали два режима работы ПГС-ССФ:

1) В одночастотном режиме при делении частоты на 3.

2) В многочастотном режиме работы с возможностью генерации боковых частот.

При наличии оптики с компенсацией дисперсии возможно получение пассивной синхронизации мод в ПГС-ССФ в ближнем и среднем ИК-диапазоне. При этом режим будет наблюдаться при отстройке частоты ПГС от точки деления на три на интервал, кратный межмодовому интервалу резонатора ПГС.

Пятичастотный режим генерации (наличие вторичного ПГС) открывает возможности для создания непрерывных оптических параметрических осцилляторов с любыми комбинациями частот, которые могут быть заданы величиной периода Л1 и Л2 соответствующей секции в периодически поляризованной структуре из ниобата лития или КТР. При этом специальная разветвленная конфигурация в структуре нелинейного элемента позволяет перестраивать вторичный ПГС в широком диапазоне, достигающем нескольких сотен нанометров. Частоты первичного ПГС не изменяются, поскольку величина периода в ПГС секции не зависит от координаты У.

Разработана компактная эффективно перестраиваемая каскадная ПГС система, которая позволяет независимо от первичного ПГС контролировать фазовый синхронизм для вторичного параметрического осциллятора. Уникальными характеристиками системы являются следующие параметры: насыщение сигнала на первичной сигнальной частоте, линейная зависимость выходной мощности от мощности накачки ПГС, перестройка по длине волны в широком (200 нм) диапазоне. Самосинхронизации фазы сигнальной и холостой волн в двухрезонаторном оптическом параметрическом осцилляторе наблюдается, когда отношение частот накачки, сигнальной и холостой волн находятся в соотношении а>р :со!:щ = 3:2:1. При этом пятичастотный режим осцилляций вырожден.

Признаки самосинхронизации фазы в двухрезонаторном и трехрезонаторном

параметрическом генераторе [34] не отличаются, что хорошо согласуется с теоретическими

результатами [6,7]. При сканировании резонатора ПГС вблизи точки деления частоты на 3

возникает явный провал интенсивности и уширение собственной моды резонатора ПГС при

29

N=10. Хопф - нестабильности наблюдаются при мощности накачки, превышающей пороговую мощность в 20 раз. Для трехрезонаторного ПГС данный эффект наблюдается уже при N=4. Диапазон самосинхронизации фазы в двухрезонаторном ПГС линейно зависит от мощности накачки. Это имеет место как для трехрезонаторного ПГС, так и для двухрезонаторного ПГС. Внутрирезонаторные биения между удвоенной холостой и сигнальной частотой наблюдаются на выходе двухрезонаторного ПГС при настройке генератора вблизи точки деления на три. На выходе резонатора ПГС-ССФ наблюдаются комбинационные частоты - удвоенная сигнальная (2<в+2со=4ш) и суммарная частота между накачкой и сигнальной частотой (ЗкН-2со=5ш).

Наличие провала интенсивности при наблюдении кластеров сигнальной и холостой волн при сканировании резонатора ПГС-ССФ вблизи точки делении на 3 облегчает диагностику эффекта фазового самозахвата. Уширение собственной моды резонатора ПГС приведет к выгодному увеличению полосы пропускания для системы фазовой привязки.

Исследование квантовых аспектов прецизионных делителей частот дают основания для использования ПГС-ССФ в квантово-информационных технологиях, например, таких как, яркий источник запутанных состояний света. ПГС с самосинхронизацией фазы в комбинации с фемтосекундным лазером могут быть применены для абсолютного измерения оптических частот в широком диапазоне спектра от УФ- до среднего ИК-диапазона. ПГС-ССФ могут быть использованы для создания фемтосекундных оптических часов нового поколения.

Замена лазера накачки Verdi на Nd:YAG/l2 стандарт частоты позволит использовать ПГС-ССФ в качестве автономного мультиоктавного синтезатора оптических частот.

Эффективность преобразования и перестроечные характеристики ÎO-OCWOC и 4-OCWOC КТР структур были экспериментально исследованы (Глава V). Экспериментальные исследования полностью подтвердили теоретические предположения о том, что 2N-OCWOC структуры ведут себя как нелинейный двулучепреломляющий фильтр. Селективность этого нелинейного фильтра будет ограничена шириной синхронизма одной пластинки. Селективность фильтра будет увеличиваться с увеличением количества пластинок в 2N-OCWOC структуре.

Наличие модуляции интенсивности на перестроечные кривых 2/V-OCWOC структур не является результатом технологической ошибки при ориентации структур. Модуляция мощности второй гармоники возникает в результате воздействия функции передачи нелинейного двулучепреломляющего фильтра.

Эффект, который является следствием технологической ошибки при ориентации

пластинок, приводит только к уширению полосы пропускания при угловой перестройке.

30

Были исследованы эффекты при апериодичной компенсации угла сноса. Апериодичная компенсация угла сноса воздействует на функцию передачи нелинейного двулучепреломляющего фильтра. Ротация на 180 градусов второй половины lO-OCWOC структуры приводит к уменьшению мощности второй гармоники в 2 раза по сравнению с 10-OCWOC структурой.

2N-OCWOC структуры могут быть использованы для увеличения эффективности преобразования при критическом синхронизме при использовании различных нелинейных материалов. Однако, для плоскопараллельных пучков никакого улучшения эффективности преобразования не наблюдается.

Экспериментально показано, что эффективность преобразования во вторую гармонику в 10 секционном OCWOC - кристалле с компенсацией угла сноса по сравнению с монолитным кристаллом увеличивается в 22 раза. Это позволяет повысить эффективность преобразования частот в прикладных нелинейных оптических устройствах, таких как генератор второй гармоники, генераторы суммарной и разностной частот, а также ПГС. В измерительных комплексах на основе фемтосекундного лазера (глава И) с f-2f интерферометром замена КТР кристалла на 2N-OCWOC структуру приведет к увеличению сигнала биений на частоте fo, что позволит контролировать частоту fo напрямую без tracking-осциллятора. 2N-OCWOC структуры на основе халькогенидов (LiInSe2, LiInS2, LiGaSe2) с широким диапазоном пропускания от видимого до ИК-диапазона позволяют создавать высокоэффективные преобразователи частоты в области 2-9 мкм (ПГС).

Кристаллические структуры с компенсацией угла сноса 2N-OCWOC на основе ИК-материалов являются альтернативой классическим периодически-поляризованным структурам для преобразования из видимого и ближнего ИК-диапазона в ИК-диапазон, где коммерческие периодически-поляризованные структуры уже не работают.

СПИСОК РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. С.Н.Багаев, В.Ф.Захарьяш, В.М.Клементьев, Д.Б.Колкер и др. Синхронизация частоты излучения диодных лазеров с частотой мод высокостабильного фемтосекундного титан-сапфирового лазера, Квантовая Электроника, 2001, Том 31, № 5, с. 383-386. * 2.S.N. Bagayev, A.K. Dmitriyev, A.S. Dychkov, S.V. Chepurov, D.B. Kolker et al «Femtosecond frequency combs stabilized with a He-Ne/CHi laser: toward a femtosecond optical clock» Laser Physics, vol. 11,№ 12, 2001, pp. 1270- 1282*

[Фемтосекундный лазер стабилизированный no He-Ne/CI-Li лазеру. Оптические часы] 3. С.Н.Багаев, A.M. Гончаренко, В.Ф.Захарьяш,В.М.Клементьев, Д.Б.Колкер, и др. Экспериментальные исследования влияния оптического волокна с перетяжкой на

31

стабильность межмодовой частоты высокостабильных фемтосекундных импульсов. Квантовая Электроника, 2002, Том 32, № 7, с. 639-640.*

4. I. Courtillot, A. Quessada, R. P. Kovacich, A. Brusch, D. Kolker, J-J. Zondy, G. D. Rovera, P. Lemonde, "A clock transition for a future optical frequency standard with trapped atoms", Phys. Rev. A 68, 030501(R) (2003) *

[Переход для будущего стандарта частоты с захваченными атомами]

5. J.J. Zondy, D. Kolker, С. Bonnin, D. Lupinski, " Second-harmonic generation with monolithic walk-off-compensating periodic structures. II Experiment." JOSA B, vol 20, No 8, August 2003, p.1695-1707.*

[Генерация второй гармоники на монолитных структурах с компенсацией угла сноса. Часть вторая, эксперимент]

6. J.-J. Zondy and D. Kolker, Franco N.C. Wong, "Dynamical signatures of self phase-locking in a triply resonant parametric oscillator", Phys. Rev. Let. Vol 93, Number 4,2004.* [Динамические признаки самосинхронизации фазы в трехрезонаторном параметрическом осцилляторе]

7. I.Courtillot, A.Quessada-Vial, A.Brusch, D.Kolker, G.D. Rovera, and P.Lemonde, "Accurate spectroscopy of Sr atoms," Eur. Phys. J. D, vol.33, pp. 161-171, 2005.*

[Точная спектроскопия атома стронция]

8. J.-J. Zondy et D. Kolker. Oscillateurs paramétriques optiques verrouillés en phase par competion de deux processus non linéaires x (2):Mise en évidence de signatures dynamiques du fonctionnement en diviseur cohérent 3co-> 2œ, ю. Bulletin BNM, vol.2003-2, pp.84-96, 2004, Paris, France.* [Параметрический осциллятор с конкуренцией двух '/_ (2)нелинейных процессов. Очевидный динамический признак режима деления частоты Зга-» 2м, га]

9. G.D. Rovera, A. Brusch, D. Kolker, О. Acef, J.-J. Zondy. "Chaîne de mesure pour fréquences optiques de très grande stabilité", Bulletin BNM, vol.2003-2, pp.76-78,2004, Paris, France.* [Экспериментальная установка для абсолютного измерения оптических частот с высокой точностью]

10. I.Courtillot, A.Quessada-Vial, A.Brusch, D.Kolker, G.D. Rovera, and P.Lemonde, "Transition d'horologe pour une horologe optique à atomes piégés," Bulletin BNM,, vol.2003-2, p.125,2005, Paris, France.*

[Переход для оптических часов с захвачеными атомами ]

11. P. V. Gorelik, F. N. С. Wong, D. Kolker, and J. -J. Zondy, "Cascaded optical parametric oscillation with a dual-grating periodically poled lithium niobate crystal," Opt. Lett. 31, 2039-2041 (2006).*

[Каскадный параметрический осциллятор с двойной конфигурацией периодически-поляризованного кристалла из ниобата лития]

12. Д.Б.Колкер , А.К. Дмитриев, А.С.Дычков, Ж.Ж. Зонди, Франко Вонг, "Двухрезонаторный оптический параметрический осциллятор с самосинхронизацией фазы", "Автометрия" т 44, №6, стр 66-75, 2008 год.*

13. D. Koiker, А. К. Dmitriyev, P. Gorelik, F. N. С. Wong and J.-J. Zondy, "Self-Phase Locking in 3-to-l Triply and Doubly Resonant Optical Parametric Oscillators", Laser Physics №6 , 2008, p 796-799.*

[Самосинхронизация фазы в трех- и двухрезонаторном параметрическом осцилляторе]

14. Д.Б.Колкер , А.К. Дмитриев, А.С.Дычков, Ж.Ж. Зонди, Франко Вонг, "Каскадный режим осцилляций в оптическом параметрическом осцилляторе", Квантовая электроника т.39 №5, 2009, с 341-344.*

15. Marchev G. , Tyazhev А. , Vedenyapin V. , Koiker, D., A Broadly tunable LilnSej optical parametric oscillator pumped by a Nd:YAG laser Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering, 2009 *

16. Marchev G., Tyazhev, A., Vedenyapin V., Koiker D., Yelisseyev A., Nd:YAG pumped nanosecond optical parametric oscillator based on LilnSe 2 with tunability extending from 4.7 to 8.7 дт. Optics exp. 2009*

17. Petrov V; Zondy JJ; Bidault O, Koiker D. et al. "Optical, thermal, electrical, damage, and phase-matching properties of lithium selenoindate", JOURNAL OF THE OPTICAL SOCIETY OF AMERICA B-OPTICAL PHYSICS, 27 (9): 1902-1927 SEP 2010*

18. Zondy, J.J., Koiker, D., Wong F.N.C. "Dynamical signatures of self phase-locking in a triply resonant parametric oscillator" OSA Trends in Optics and Photonics Series 96 A, pp. 123-124 *

19. Quessada, A., Courtillot, I., Kovacich, R.P., Brusch, A., Koiker, D., Rovera, G.D., Clairon, A., Lemonde, P. "An optical frequency standard using cold strontium atom" OSA Trends in Optics and Photonics Series 88, pp. 1612*

20. Zondy, J.-J., Koiker, D., Bonnin, C., Lupinski, D. "Second-harmonic generation with monolithic walkoff-compensated KTP periodic structures" OSA Trends in Optics and Photonics Series 88, pp. 812-813*

21. Zondy, J.-J., Koiker, D. "Stability of the self-phase-locked pump-enhanced singly resonant optical parametric oscillator" OSA Trends in Optics and Photonics Series 88, pp. 603-604 *

22. Bagayev, S.N., Chepurov, S.V., Denisov, V.I., Klementyev, V.M., Koiker, D.B., Korel, I.I., Kuznetsov, S.A., Russell, P.St.J. Formation and distortions of the ultrashort pulse train spectrum

broadened in tapered fiber CPEM Digest (Conference on Precision Electromagnetic Measurements) , pp. 428-429,2002 *

22. Bagayev, S.N., Belkin, A.M., Dychkov, A.S., Farnosov, S.A., Fateev, N.V., Kolker, D.B., Matyugin, Yu.A., Zhmud, V.A. "Absolute frequency measurements in precision laser spectroscopy of Muonium" Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering 3736, pp. 310-318*

23. Bagaev, S.N., Belkin, A.M., Dychkov, A.S., Efimov, A.S., Zhmud', V.A., Kolker, D.B., Matyugin, Yu.A., Fateev, N.V. "Frequency reference in the 732-nm region for precision laser spectroscopy of muonium Quantum Electronics 30 (7), pp. 641-646,2000 *

24. J.-J. Zondy et D.Kolker, «Signature dynamiqies d'un auto-verrouillage de phase induit par compétition de processus x<2) dans un OPO triplement résonnant: Observation d'une bifurcation de Hopf inverse». Compte-rendus de la 7, Rencontre du Non-Linéare, Paris 2004, Institut Henri Poincaré, Nonè-linéare Publications, р.311

[Динамические признаки самосинхронизации фазы в трехрезонаторном параметрическом осцилляторе под влиянием конкуренции %(2) нелинейностей. Наблюдение Хопф-осцилляций]

25. Д.Б.Колкер, А.К.Дмитриев, Ж.Ж.Зонди и Франко Вонг, "Пятичастотный оптический параметрический осциллятор", Материалы IX международной конференции актуальные проблемы электронного приборостроения (АПЭП-2008) в 7 томах. Том 5, с.54-58. Новосибирский государственный технический университет. 2008.

26. S.N. Bagayev, A.K. Dmitriyev, A.S. Dychkov, S.V. Chepurov, V.M. Klementyev, D.B. Kölker, S.A.Kuznetsov, Yu.A. Matyugin, M.V. Okhapkin, M.N. Skvortsov, V.S. Pivtsov, V.F. Zakharyash «The frequency synthesis at 88 THz for femtosecond optical clock» Russian-French Laser Symposium, Vladimir, Suzdal, Russia, September 30-october 7,2001, Technical Digest, pp. 47-48.

27. S.N. Bagayev, V.I.Denisov, S.V. Chepurov, V.M. Klementyev, D.B. Kolker, I.I.Korel, Yu.A. Matyugin, S.A.Kuznetsov, V.S. Pivtsov, V.F. Zakharyash, T.A. Birks, W.J. Wadsworth, P.St.J. Russell «Investigation of the influence of a tapered fiber on spectrum of femtosecond pulses train» IQEC/LAT 2002,22-28 June 2002, Moscow, Russia, Technical Digest, p. 395-398

28. S.N. Bagayev, S.V. Chepurov, A.M. Goncharenko V.M. Klementyev, D.B. Kölker, S.A.Kuznetsov, Yu.A. Matyugin, V.S. Pivtsov, V.F. Zakharyash, T.A. Birks, W.J. Wadsworth, P.St.J. Russell «Experimental investigation of the influence of a tapered fiber on the intermode frequency stability of highly stable femtosecond pulses» IQEC/LAT 2002, 22-28 June 2002, Moscow, Russia, Technical Digest, p.341-344

29. C.H. Багаев, В.Ф. Захарьяш, В.M. Клементьев, Д.Б. Колкер, С.А. Кузнецов, В.С.Пивцов, C.B. Чепуров. "Применение полупроводниковых лазеров в высокоточных системах

частотных измерений". 4-й Белорусско-Российский семинар "Полупроводниковые лазеры и системы на их основе"Минск, 20-22 мая 2002 г.

30. S.N. Bagayev, S.V. Chepurov, V.M. Klemcntyev, D.B. Kolker, S.A.Kuznetsov, Yu.A. Matyugin, V.S. Pivtsov, V.F. Zakharyash « The frequency synthesis of He- Nc/CH4 standard for femtosecond optical clock» Symposium on Laser Metrology LM 2002, Novosibirsk, Russia, 9-13 September, 2002

31. A. Brusch, I. Courtillot, A. Quessada, A. Brusch, D. Kölker, R.P. Kovacich, J.-J. Zondy, G.D. Rovera, A. Clairon, G. Santarelli and P. Lemonde, "Optical frequency measurements at BNM-SYRTE." Proc of 7th International Workshop on Atom Optics and Interferometry, 28 September-2 October 2002, Lunteren, Holland.

32. S.N. Bagayev, A.S. Dychkov, A.V. Kashirsky, V.M. Klementyev, D.B. Kolker, S.A. Kuznetsov, Yu.A. Matyugin, V.S. Pivtsov, V.F. Zakharyash «Absolute frequency measurements of iodine transitions using the femtosecond synthesizer of standard optical frequencies» XI Conference on Laser Optics, St. Petersburg, Russia, June 30-July 4 2003, Technical Program, p. 75-78.

33. J-J. Zondy, D. Kölker, "Stability of the self-phase-locked pump-enhanced singly resonant optical parametric oscillator" Proc. CLE02003,1-4 June 2003, USA, Baltimore

34. J.-J. Zondy, D. Kolker, Ch.Bonnin, D.Lupinski, "22 time efficiency enhancement of second harmonic generation by using a 10 - plate monolithic walkoff - compensating KTP structures". Proc. "Laser Optic 2003", 30 June - 5 July 2003, St. Petersburg, Russia

35. G. D. Rovera, A. Brusch, D. Kölker, J.-J. Zondy, O. Acef, I. Courtillot, A. Quessada, P. Lemonde, J.-P. Wallerand, J. C. Knight, W. J. Wadsworth, P. St. J. Russel. "A fs-laser chain for a new optical frequency standard based on cold strontium" Proc. "Laser Optic 2003", 30 June - 5 July 2003, St. Petersburg, Russia

36.1. Courtillot, A. Quessada, R. K. Kovacich, G. Santarelli, A. Clairon, A. Brusch, D. Kolker, О. Acef, G. Rovera and P. Lemonde, "Optical frequency measurements with laser cooled Sr atoms." Proc. of Joint meeting 17th European Frequency and Time Forum and 2003 IEEE, International Frequency Control Symposium, 5-8 May 2003, Tampa, USA

37. I. Courtillot, A. Quessada, A. Brusch, R.P. Kovacich, D. Kölker, G.D. Rovera and P. Lemonde, "Direct observation of the ISO - 3P0 forbidden line in 87Sr towards an optical clock with trapped atoms." Proc. of Second Workshop on Cold Alkaline-Earth Atoms, 11-13 September 2003, Copenhagen, Denmark

38. G.D. Rovera, J.-J. Zondy, A.Brusch, D.Kolker, J.-P. Wallerand, J.C. Knight, and P.S.J. Russell, "Absolute frequency measurements at BNM-SYRTE," in Proc. of the 2003 joint meeting EFTF -IEEE IFCS, Tampa, p. 11-12, 2003.

39. S.N. Bagayev, S.V. Chepurov, V.M. Klementyev, D.B. Kolker, S.A.Kuznetsov, Yu.A. Matyugin, V.S. Pivtsov, V.F. Zakharyash « The frequency synthesis of He- Ne/Cfy standard for femtosecond optical clock» Symposium on Laser Metrology LM 2002, Novosibirsk, Russia, 9-13 September, 2002

40. S.N. Bagayev, A.S. Dychkov, A.V. Kashirsky, V.M. Klementyev, D.B. Kolker, S.A. Kuznetsov, Yu.A. Matyugin, V.S. Pivtsov, V.F. Zakharyash «Absolute frequency measurements of iodine transitions using the femtosecond synthesizer of standard optical frequencies» XI Conference on Laser Optics, St. Petersburg, Russia, June 30-July 4 2003, Technical Program, p. 75.

41. J-J. Zondy, D. Kolker, "Stability of the self-phase-locked pump-enhanced singly resonant optical parametric oscillator" Proc. CLE02003,1-4 June 2003, USA, Baltimore.

42. J.-J. Zondy, D. Kolker, Ch.Bonnin, D.Lupinski, "22 time efficiency enhancement of second harmonic generation by using a 10 - plate monolithic walkoff - compensating KTP structures". Proc. "Laser Optic 2003", 30 June - 5 July 2003, St. Petersburg, Russia

43. J.-J. Zondy and D. Kolker, N.C. Wong, "Dynamical signatures of competing nonlinearities induced self phase-locking in a triply resonant parametric oscillator", accepted CPEM 2004, London, June 2004.

44 Jean-Jacques Zondy, Dmitri Kolker and Franco N.C. Wong, "Nonlinear dynamics of optical parametric oscillators subject to resonant competing nonlinearities: the 3-^1 self-phase-locked OPO", Invited paper, MPLP2004, Novosibirsk, Russia.

45. P. V. Gorelik, F. N. C. Wong, D. Kolker, and J. -J. Zondy, "Cascaded optical parametric oscillation with a dual-grating periodically poled lithium niobate crystal, CLEO 2006 (USA).

46. Self-Phase Locking in a 3-to-l Doubly-Resonant Dual-Grating Optical Parametric Oscillator" ICONO 2007 (Минск, Беларусь).

47. P. V. Gorelik, F. N. C. Wong, D. Kolker, and J. -J. Zondy, "Dynamical signature of self-phase locking in doubly resonant optical parametric oscillator", AMPL2007 (Томск, Россия)

48. G.Marchev, A. Tyazhev, V. Vedenyapin, D. Kolker. A. Yelisseyev, S. Lobanov, L. Isaenko, Je.-Ja. Zondy, V. Petrov. Wide Tunable nanosecond OPO based on new nonlinear crystals. Invited presentation, Laser Optic 2010, S. Petersburg, Russia

49. Ф. Вонг, П.В. Горелик, Ж.Ж Зонди, Д. Б. Колкер " Slow dynamics and multipart self-phase-locked oscillation in the divide by 3 CW optical parametric oscillator " 2005 European Quantum Electronics Conference, EQEC '05 2005, art. no. 1567279, pp. 108 *

50. Brusch, A., Courtillot, I., Quessada, A., Kolker, D.B., Santarelli, G., Clairon, A., Lemonde, P., Rovera, G.D. "Optical frequency measurements at BNM-SYRTE" IET Conference Publications (499 CP), pp. 429-430, 2004 *

51. Rovera, G.D., Zondy, J.-J., Brusch, A.( Kolker, D., Wallerand, J.-P., Knight, J.C., Russell, P.St.J., Wadsworth, W.J. "Optical frequency measurements at BNM-SYRTE" Proceedings of the Annual IEEE International Frequency Control Symposium , pp. 75-77, 2003 *

52. Bagayev, S.N., Dmitriyev, A.K., Chepurov, S.V., Dychkov, A.S., Klementyev, V.M., Kölker,

D.B., Kuznetsov, S.A., Beloglazov, V.l. "Femtosecond optical clock" Proceedings ofSPIE - The International Society for Optical Engineering 4750, pp. 138-140, 2002*

53. Bagayev, S.N., Chepurov, S.V., Denisov, V.l., Dmitriyev, A.K., Dychkov, A.S., Klementyev, V.M., Kolker, D.B., Russell, P.St.J. " Femtosecond optical clock with the use of a frequency comb" Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering 4900 (1), pp. 125-131, 2002 *

54. Bagayev, S.N., Chepurov, S.V., Denisov, V.l., Klementyev, V.M., Kolker, D.B., Korel, I.I., Kuznetsov, S.A., Russell, P.St.J. "Investigation of Ti:S femtosecond laser radiation spectrum broadened in tapered fiber" Proceedings of SPIE - The International Socicty for Optical Engineering 4900 (1), pp. 147-149,2002*

55. Bagayev, S.N., Chepurov, S.V., Klementyev, V.M., Kolker, D.B., Kuznetsov, S.A., Matyugin, Yu.A., Pivtsov, V.S., Zakharyash, V.F. "Application of femtosecond lasers for the frequency synthesis in radio-optical ranges and for the creation of an optical clock" Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering 4350, pp. 171-174, 2001 *

ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Spence D.E., Kean P.N., Sibbett W. Opt. Lett., 16,42 (1991)

2. Krausz F., Fermann M.E., Brabec Т., Curlet P.F., Hofer M., Ober M.H., Spielmann С., Wintner

E., Schmidt A.J., IEEE J.Quantum Electron., 28,2097 (1992)

3. Udem Th., Holzwarth R., Haensch T.W. Nature, 416,233 (2002)

4. Knight J.C., Birks T.A., Russell P.St.J., Atkin D.M. Opt. Lett., 22, 961(1996)

5. Birks T.A., Wadsworth W.J., Russell P.ST.J Opt Lett., 25 1415(2000)

6. J.-J. Zondy et al, "Theory of self-phase-locked optical parametric oscillators", Phys. Rev. A 63, pp. 023814 (2001)

7. J.-J. Zondy, "Stability of the self-phase locked pump-enhanced singly resonant parametric oscillator, Phys. Rev A67, 03581 (2003)

8. L. Longehambon et al, "Non-linear and quantum optics of a type II OPO containing a birefringent element, Part 2 : bright entangled beams generation" e-print arXiv:quant-phA)211123 (2003).

9. A. Douillet, J.-J. Zondy, G. Santarelli, A. Makdissi, A. Clairon, IEEE Trans. Instrum. Meas. 50, p. 548 (2001).

10. S. Schiller, R.L. Byer, J. Opt. Soc. Am. B 10, p.1696 (1993)

11. P. Lohdahl, M. Saffman, Phys; Rev. A 60, 3251 (1999); M. Bache, P. Lohdal, A.V. Mamaev, M. Marcus, M. Saffman, Phys. Rev. A 65, p. 033811 (2002).

12. K. P. Chung, A. Marcano, J. Opt. Soc. Am. B 5, p. 2524 (1998).

13. P. Coullet, K. Emilsson, Physica D 61, p. 119(1992).

14. L. A. Lugiato, C. Oldano, C. Fabre, E. Giacobino, R. J. Horowicz, Nuovo Cimento D 10, p. 959 (1988).

15. C. Ritchy, K. I. Petsas, E. Giacobino, C. Fabre, L. Lugiato, J. Opt. Soc. Am. B 12,456 (1995).

16. P. Suret, D. Derozier, M. Lefranc, J. Zemmouri, S. Bielawski, Phys; Rev. A 61,p. 021805 (2000).

17. A. Douillet, J.-J. Zondy, A. Yelisseyev, L. Isaenko, S. Lobanov, J. Opt. Soc. Am. B 16,p.1481 (1999).

18. S. A. Diddams, L.-S. Ma, J. Ye, J. L. Hall, Opt. Lett. 24, 1747 (1999).

19. A. Einstein, B. Podolsky, R. Rozen, Phys. Rev. 47,777 (1935).

20 M. Vaupel, A. Maitre, C. Fabre, Phys. Rev. Lett. 83, p. 5278 (1999).

21. P. Manneville, Structures dissipatives, Chaos et Turbulece, Ed. Aléa Saclay, Commissariat à l'Energie Atomique (1991).

22. M.C. Croos, P.C. Hohenberg, Pattern formation outside of equilibrium, Rev. Mod. Phys. 65, p. 851-1112(1993).

23. S. Longhi, Spiral waves in a class of optical parametric oscillators, Phys. Rev. E 63, p.055202 (2001).

24. H. Katori, M. Takamoto, V.G. PaPchikov, V.D. Ovsiannikov, Phys. Rev. Lett. 91, p 173005 (2003)

25. R.W.P. Drever et al., App. Phys. B 31, p 97 (1983)

26. T. Kuwamoto, K. Honda, Y. Takahashi, T. Yabuzaki, Phys. Rev. A 60, R745 (1999)

27. I.Courtillot, A.Quessada-Vial, A.Brusch, D.Kolker, G.D. Rovera, and P.Lemonde, "Accurate spectroscopy of Sr atoms," Eur. Phys. J. D, vol.33, pp. 161-171,2005.

28. A. Bauch, H.R. Telle, Rep. Prog. Phys. 65, p 789 (2002)

29. J.-J. Zondy and D. Kolker, Franco N.C. Wong, "Dynamical signatures of self phase-locking in a triply resonant parametric oscillator", Phys. Rev. Let. Vol 93, Number 4,2004.

30. P. V. Gorelik, F. N. C. Wong, D. Kolkcr, and J. -J. Zondy, "Cascaded optical parametric oscillation with a dual-grating periodically poled lithium niobate crystal," Opt. Lett. 31, 2039-2041 (2006).

31. J.J. Zondy, C. Bonnin, D. Lupinski, "Second-harmonic generation with monolithic walk-off-compensating periodic structures. Theory." JOSA B, vol 20, No 8, August 2003.

32. L. K. Samantha, T. Yanagawa, and Y. Yamamoto, Technique for enhanced second harmonic output power, Opt. Commun. 76, p 250-252 (1993).

33. D. J. Armstrong, W. J. Alford, T. D. Raymond, and A. V. Smith, Parametric amplification and oscillation with walkoff-compensating crystals, J. Opt. Soc. Am. В 14, p 460-474 (1997).

34. Д.Б.Колкер , А.К.. Дмитриев, А.С.Дычков, Ж.Ж. Зонди, Франко Вонг, "Двухрезонаторный оптический параметрический осциллятор с самосинхронизацией фазы", "Автометрия" т 44, №6, стр 66-75, 2008 год.

ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

КЭД - квантовая электродинамика

N- Отношение интенсивности накачки параметрического осциллятора к пороговой интенсивности.

ПГС-ССФ параметрический генератор света с самосинхронизацией фазы 2N-OCWOC периодическая структура с компенсацией угла сноса WOC - конфигурация с компенсацией угла сноса ГВГ- генерация второй гармоники

PPLN - периодически-поляризованная структура из ниобата лития РРКТР - периодически поляризованная структура из КТ1РО4 nrC(DRO) - двухрезонаторный параметрический генератор

PRSRO - двухрезонаторный параметрический генератор с резонансом на сигнальной волне и волне накачки.

TRO - трехрезонаторный параметрический осциллятор

МОРА - система: одночастотный диодный лазер и полупроводниковый усилитель

FSR - межмодовый интервал

F_\-, -передаточная функция 2N-OCWOC структуры

БЛАГОДАРНОСТИ

Автор выражает глубокую благодарность академику С.Н. Багаеву - директору Института Лазерной физики СО РАН, ректору НГТУ, профессору, д.т.н. Н.В.Пустовому, профессору, д.т.н., проректору НГТУ по международным связям Е.Б.Цою, профессору, проректору НГТУ по научной работе А.Г.Вострецову, профессору Дж. Шапиро - директору Research Laboratory of Electronics МГГ(США), профессору Ж.Ж.Зонди - французскому теоретику и экспериментатору, зав. лабораторией CNAM-LNE-INM (Париж, Франция), директору LNE-SYRTE г-ну Филиппу Тукею (Париж, Франция), д-ру Валентину Петрову (MBI, Берлин, Германия), профессору, д.ф-м.н. А.К.Дмитриеву, к.ф-м.н. Ю.А.Матюгину, к.ф-м.н. А.С.Дычкову, к.ф-м.н. Н.В.Фатееву, профессору, д.ф-м.н. В.М. Клементьеву, к.ф-м.н. B.C. Пивцову, д.т.н. Л.И.Исаенко, д.ф-м.н. А.П.Елисееву, Виталию Веденяпину, д-ру Ф.Вонгу - ведущему научному сотруднику RLE-MIT, Павлу Горелику - сотруднику Lincoln Laboratory MIT, г-ну Данелию Ровере, д-ру И. Куртило, д-ру Уали Асефу и д-ру Пьеру Лемонду (LNE-SYRTE, Observatoire de Paris) за поддержку и сотрудничество на всех этапах работы.

Автор выражает глубокую благодарность Германской службе академических обменов (DAAD) и Министерству науки и образования РФ за финансовую поддержку по программе "Михаил Ломоносов" в 2008-2009 году, благодаря которой стало возможным проведение серии экспериментов по наносекундной параметрической генерации в среднем ИК-диапазоне.

Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630092, г. Новосибирск, пр. К. Маркса 20, тел. 346-08-57

формат 60х84\16, объём 2.75 п.л., тираж 100 экз., заказ № 552 подписано в печать 21.03.2011г.

ГЛАВА I. Фемтосекундные лазеры в схемах абсолютного измерения оптических частот

1.1 Абсолютное измерение оптических частот при помощи фемтосекундного лазера 41

1.2. Синхронизация частоты излучения диодных лазеров с модами высокостабильного фемтосекундного титан-сапфирового лазера 42

1.3. Экспериментальные исследования влияния оптического волокна с перетяжкой на стабильность межмодовой частоты высокостабильных фемтосекундных импульсов 55

1.4. Абсолютное измерение оптических частот при помощи фемтосекундного лазера с/-2/ интерферометром 59

1.5. Абсолютное измерение частот переходов молекулярного йода в области нм 68

1.6. Измерения частот переходов атома стронция 71

1.6.1. Абсолютное измерение частоты перехода 'Бо - 3Р1 74

1.6.2. Измерение частоты перехода Р1 — в области нм 78

1.6.3. Абсолютное измерение частоты перехода 3Р0 — ^ 84

1.6.4. Прямое измерение частоты перехода 'Бо — 3Ро 90

1.6.5. Выводы по главе II

ГЛАВА II. Теоретические основы прецизионных делителей оптических частот

2.1. Принципиально новый тип оптических преобразователей частоты 96

2.2. Теоретические основы ПГС-ССФ 99

275

2.2.1. Динамика системы 3-1 ПГС-ССФ 99

2.2.2. Теоретическая модель ПГС-ССФ 102

2.2.3. Стационарные решения уравнений (4.1) для двухрезонаторного ПГС-ССФ 107

2.2.4. Случай нулевой расстройки резонатора As = А; = 111

2.2.5.Стационарные решения системы уравнений (2.1) для трехрезонаторного ПГС 111

Выводы по главе II 115

ГЛАВА III. Эффект самосинхронизации фазы в трехрезонаторном ПГС (ТПГС-ССФ) 118

3.1. Экспериментальная установка 118

3.2. Нелинейный элемент PPLN 119

3.3. Конфигурация оптического резонатора ПГС-ССФ 121

3.4. Нестабильности при фазовой расстройке = AkSHGL2/2 между ГВГ и ПГС процессами 130

3.5. Мультикаскадный режим генерации в ПГС-ССФ 132

3.6. Анализ модовой структуры ПГС-ССФ при помощи двух интерферометров 135

3.7. Физические особенности самосинхронизация фазы в мультикаскадном режиме генерации ПГС-ССФ 138

3.8. Выводы по главе III

ГЛАВА IV. Двухрезонаторный ПГС с самосинхронизацией фазы

Введение 141

276

4.1. Нелинейный элемент для двухрезонаторного ПГС 142

4.2. Разветвленная конфигурация ГВГ секции нелинейного элемента для генерации второй гармоники холостой волны 143

4.3. Тест ПГС секции 145

4.4. Тест ГВГ секции нелинейного элемента 146

4.5. Нагревательный элемент для нелинейного кристалла 148

4.6. Диэлектрические зеркала резонатора и антиотражающие покрытия на торцах кристалла 149

4.7. Порог параметрической генерации 151

4.8. Оптический резонатор 151

4.9. Разработка механики резонатора ПГС 156

4.10. Настройка резонатора t 160

4.11. Схема детекции сигналов накачки, холостой и сигнальной волн 161

4.12. Подготовительные работы для поиска режима 3:1 163

4.13. Два режима работы ПГС с составной конфигурацией нелинейного элемента 168

4.13.1.Каскадный режим генерации в оптическом параметрическом осцилляторе 168

4.13.2.Теоретическая модель каскадного ПГС 173

4.13.3. Режим самосинхронизации фазы в двухрезонаторном параметрическом осцилляторе 175

Выводы по главе IV 181

ГЛАВА V. Исследование кристаллических структур с компенсацией угла сноса (21Ч-ОС\¥ОС)

5.1. Влияние угла сноса на эффективность преобразования в нелинейных оптических структурах 185

5.2. Конструктивные особенности 2N-OCWOC структур и схема экспериментальной установки 197

5.3. Экспериментальные исследования 2N-OCWOC структур 202

5.3.1. 2N-OCWOC эффективность преобразования 206

5.3.2. Угловые перестроечные кривые для lO-OCWOC структуры 208

5.3.3 .Эффекты в апериодичных структурах (АРWOC) 217

5.3.4. Перестроечные характеристики для 4-OCWOC структур 220

5.5. Выводы по главе V 225

Основные результаты диссертационной работы 227

Литературные источники 245

Инновационный путь развития отечественной научно-производственной базы предполагает переход к новейшему технологическому укладу, базовыми направлениями которого являются наноэлектроника, биотехнологии и информатика. Успешное развитие этих направлений оказывается весьма проблематичным без современного аналитического и метрологического обеспечения, которое в большой степени основывается на прецизионных лазерных технологиях. Уникальные возможности этих технологий обеспечиваются постоянным улучшением характеристик излучения лазерных источников и успехами лазерной спектроскопии, что позволило поставить на практическую основу, например, методики регистрации и идентификации следовых количеств атомов и молекул. В русле этих исследований и разработок лежит и очень важная проблема создания на базе лазерных источников излучения основанных на атомных и квантовых явлениях эталонов длины и времени и, соответственно, методов измерения длины волны и частоты излучения.

Создание фемтосекундных лазеров с широкой линией излучения больше оптической октавы привело к реализации сличений стандартов частоты от радио- до оптических диапазонов с погрешностью определяемой воспроизводимостью стандартов [1-5]. Исследования показали, что межмодовая частота лазеров с самосинхронизацией мод может быть стабилизирована при синхронизации частотой внешнего высокостабильного генератора [3].

Для обеспечения связи между стандартом частоты и фемтосекундным синтезатором важными элементами лазерной линейки являются нелинейные преобразователи частоты. Весьма перспективным оказывается и применение параметрических генераторов света, хотя для метрологических целей последние требуют синхронизации фаз сигнальной и холостой волн. Ь

Комбинация таких генераторов, при условии синхронизации фазы между сигнальной и холостой, с СКИ лазерами ещё более расширяет возможности частотных измерений и создания многочастотных стабильных реперов, расположенных в широкой области спектра [6-19].

В [20] сообщается о создании трехрезонаторного параметрического осциллятора на основе двухсекционного кристалла из ниобата лития, который накачивался МОРА системой в области 812 нм. Другой эксперимент [23], в котором также использовался PPLN кристалл с накачкой 500 мВт лазером в области 532 нм, позволял осуществить деление частоты на 3. В этом эксперименте использовались два каскадных преобразования генерации разностной частоты. При этом, для осуществления операции 3:2 требовалось два входных сигнала. Однако диапазон самосинхронизации фазы в [20, 23] был экстремально мал для осуществления стабильной работы этих устройств и их практического применения. В ряде работ отмечается возможность использования ПГС-ССФ для генерации сжатых состояний света и ярких запутанных состояний света [21-24].

В традиционном, невырожденном ПГС разность фаз сигнальной и холостой волн являются случайными величинами, которые возникают из-за стохастического процесса, происходящего от спонтанного параметрического шума флюоресценции. В ПГС с самосинхронизацией фазы (ПГС-ССФ) разность фаз между сигнальной и холостой волнами остается величиной постоянной, что позволяет использовать эти устройства в метрологических задачах. Работы по созданию ПГС-ССФ велись в лабораториях России, Германии, Франции, Нидерландов и США, тем не менее, до начала работы над данной диссертацией таких источников когерентного инфракрасного излучения не существовало.

Цель работы

Целью диссертационной работы является разработка, создание и исследование многофункциональных синтезаторов оптических частот для задач фундаментальной метрологии, спектроскопии высокого разрешения и абсолютного измерения оптических частот от ультрафиолетового до среднего ИК-диапазона с высокой точностью.

Достижение цели потребовало решения следующих задач:

- разработки и создания экспериментальной установки для измерения оптических частот с высокой точностью в широком спектральном диапазоне от ультрафиолетового до ИК-диапазона на основе фемтосекундного лазера с f-2f интерферометром

- проведение абсолютных измерений оптических частот переходов

8*7 88 молекулярного йода в области 532 нм, Бг и Бг, измерения изотопических сдвигов в атоме стронция

- создания и исследования прецизионных оптических делителей частот (ПГС-ССФ) на основе кристаллов из периодически поляризованных структур ниобата лития с составной геометрией нелинейного элемента. Исследование области устойчивости и возможности пассивного механизма фазового захвата, не требующего активных систем фазовой привязки

-экспериментального исследования зависимости диапазона фазового самозахвата от различных факторов - температуры, длины волны накачки ПГС и мощности накачки

-экспериментального подтверждения генерации Хопф нестабильностей в ПГС ССФ в различной конфигурации оптического резонатора

- исследования каскадных режимов генерации в ПГС с составной геометрией нелинейного элемента. Исследование пятичастотного режима осцилляций в параметрических генераторах с составной геометрией нелинейного элемента

- проведения экспериментальных исследований новых современных преобразователей частот на основе структур с компенсацией угла сноса. Данные структуры предназначены для использования в схемах синтеза и абсолютного измерения оптических частот

- измерение эффективности преобразования в этих структурах по сравнению с монолитными образцами. Экспериментальное исследование неконтролируемого эффекта влияния передаточной функции нелинейного двулучепреломляющего фильтра и проверка теории сфокусированных пучков для структур с компенсацией угла сноса.

На защиту выносятся следующие основные положения:

У 1 Я 87

1. Измеренная частота перехода s" So - 5s5p Р0 в атоме Sr составляет: v (5s 21 SQ- 5s5p 3Ро) = 429 228 004 235 ± 20 кГц

2. Физические особенности самосинхронизации фазы в двухрезонаторном и трехрезонаторном параметрическом генераторе не отличаются. При сканировании резонатора ПГС вблизи точки деления частоты на 3 возникает провал интенсивности и уширение собственной моды резонатора ПГС. Хопф — нестабильности возникают при превышении над порогом в N=20 для двухрезонаторного ПГС. Для трехрезонаторного ПГС данный эффект наблюдался при N = 4.

3. При отстройке частоты ПГС-ССФ от точки деления на 3 на величину кратную межмодовому интервалу ПГС в трехрезонаторном ПГС наблюдается мультикаскадный режим с генерацией боковых частот (аналог фемтосекундного комба в среднем ИК).

4. Диагностикой режима 3:2:1 в двухрезонаторном ПГС-ССФ является вырождение "вложенного пятичастотного " ПГС.

5. Использование ПГС с самосинхронизацией фазы, в комбинации с фемтосекундным лазером позволяют выполнить абсолютные измерения оптических частот в широком спектре от УФ- до среднего ИК-диапазона

6. При создании синтезаторов оптических частот в среднем ИК-диапазоне кристаллические структуры с компенсацией угла сноса являются альтернативой классическим периодически-поляризованным структурам.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

1. Впервые измерены частоты переходов атома стронция при помощи фемтосекундного синтезатора с относительной точностью 10"11.

2. Создан параметрический осциллятор с делением частоты на 3 в двухрезонаторной и трехрезонаторной конфигурации. В качестве нелинейного элемента применялась периодически-поляризованная структура из ниобата лития с составной геометрией.

3. Экспериментально показано, что в ПГС-ССФ может быть использован пассивный механизм стабилизации частоты, которые не требуют электронных систем фазового захвата.

4. Показано наличие двух режимов работы ПГС-ССФ:

1) Одночастотного режима при делении частоты на 3.

2) Многочастотного режима работы ПГС с возможностью генерации боковых частот.

При наличии оптики с компенсацией дисперсии возможно получение пассивной синхронизации мод в ПГС-ССФ в ближнем и среднем ИК-диапазоне.

5. Экспериментально получен пятичастотный режим генерации в двухрезонаторном параметрическом осцилляторе.

6. Экспериментально показано, что в пятичастотном параметрическом осцилляторе диапазон перестройки между вторичной сигнальной и вторичной холостой частотами достигает 200 нм.

7. Экспериментально показано, что эффективность преобразования во вторую гармонику в 10 секционном ОС\УОС - кристалле с компенсацией угла сноса по сравнению с монолитным кристаллом увеличивается до 22 раз.

Научная и практическая значимость результатов

Измерены частоты перехода атома стронция с относительной точностью 10"п.

В ПГС с самосинхронизацией фазы (ПГС-ССФ) возможен пассивный механизм фазового захвата, который не требует специальных электронных устройств фазовой привязки.

ПГС с самосинхронизацией фазы, в которых используется принцип конкуренции двух нелинейностей х (1) :х(2), в комбинации с фемтосекундным лазером дают возможность для абсолютного измерения оптических частот в. среднем ИК-диапазоне. Провал интенсивности на сигнальной и холостой частотах облегчает диагностику эффекта фазового самозахвата в ПГС-ССФ. Уширение собственной моды резонатора ПГС-ССФ приводит к выгодному увеличению полосы пропускания для системы фазовой привязки.

Делитель частоты на 3 на основе ПГС-ССФ с накачкой второй гармоникой №:УАО лазера, стабилизированного по резонансу насыщенного поглощения молекулярного йода в области 532 нм, позволяет осуществлять синхронизацию частот Ті:8а и СпГг фемтосекундных лазеров.

Каскадный режим генерации ПГС открывает возможности для создания непрерывных пятичастотных оптических параметрических осцилляторов с любыми комбинациями частот, которые могут быть заданы величиной периода А) и Л2 соответствующей секции в периодически поляризованной структуре из ниобата лития или КТР. При этом специальная разветвленная конфигурация в структуре нелинейного элемента позволяет перестраивать вторичный ПГС в широком диапазоне, достигающем нескольких сотен нанометров. При этом частоты первичного ПГС не изменяются, поскольку величина периода в ПГС секции не зависит от координаты Y.

Генерация п стабильных фазовых состояний, эквидистантно разнесенных на величину 2л/п с одинаковой интенсивностью, предоставляет возможность для кодирования информации в координатах интенсивность-фаза применительно к квантово-информационным задачам.

Кристаллические структуры с компенсацией угла сноса являются дополнением классическим PPLN и РРКТР для преобразования из видимого и ближнего ИК-диапазона в ИК-диапазон, а также из видимого в УФ диапазон.

Апробация работы. Результаты, изложенные в диссертации, представлены на Международных и всероссийских конференциях: LM 2002, Novosibirsk, (2002),Workshop on Atom Optics and Interferometry 2002 (Luntcren, Holland), XI- Conference on Laser Optics, St. Petersburg, Russia (2003), CLE02003 (USA, Baltimore), Laser Optic 2003 (St. Petersburg, Russia), 17th European Frequency and Time Forum and 2003 IEEE, International Frequency Control Symposium (Tampa, USA), Second Workshop on Cold Alkaline-Earth Atoms 2003 (Copenhagen, Denmark), CPEM 2004 (London), MPLP2004 (Novosibirsk, Russia), CLEO-Europe 2005 (Munich, Germany), CLE02006 (USA), ICON02007 (Минск, Беларусь), AMPL2007 (Томск, Россия), АПЭП 2008.

Результаты, изложенные в диссертации, доложены на семинарах Института лазерной физики СО РАН, Новосибирского Государственного Технического Университета, Института Оптики атмосферы СО РАН (г. Томск), Парижской обсерватории (BNM-SYRTE), Института Национальной метрологии Франции (INM-LNE-CNAM), Массачусетского Технологического Института (RLE-MIT, США), Пизанского университета (Италия), Института Макса Борна (Германия).

Основные результаты, полученные в диссертации, опубликованы в 55 работах, 32 работы из 55 цитируются международной базой данных Scopus. Согласно Решению Президиума Высшей аттестационной комиссии Минобрнауки России от 19 февраля 2010 года №6/6 работы, процитированные SCOPUS, включены в ПЕРЕЧЕНЬ ВАК.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и двух приложений. Общий объем - 257 страниц, в том числе 220 страниц основного текста с 96 рисунками, 2 приложений и списка литературы.

Выводы по результатам диссертационной работы

В первой главе наиболее важными являются разделы, посвященные исследованию и разработке полупроводниковых лазерных систем с внешним резонатором. Большое внимание при разработке этих систем было уделено защите полупроводниковых диодов от помех. В первой главе диссертации не описываются влияние различных факторов (эл. поле, наводки силовых устройств и т.д.), но эти исследования проведены и в результате созданы надежные устройства, которые использовались в схемах синтеза и измерения оптических частот, а также в схеме синтеза частоты Не-Ке стандарта для фемтосекундных оптических часов (Глава I). Диодные лазеры служат «усилителями» мощности мод фемтосекундного Тк8а-лазера. Возникающее после нелинейного кристалла излучение на разностной частоте — у2| ~ усп4 смешивается с излучением Не-№/СН4-стандарта на частоте ус„4 и эти два излучения попадают на фотодиод. Низкочастотный сигнал биений с фотодиода на частоте | ¡V] - у2| - Усн4| подается на систему ФАЛ, сигнал ошибки с которой поступает для отработки к ТкБ-лазеру. В результате частотный интервал |У1 — у2| в его спектре, а следовательно, и Ду оказываются застабилизированными по частоте Не-№/СН4-стандарта.

Таким образом, частотные характеристики Не-Ые/СН4-стандарта переносятся в радиодиапазон без промежуточных каскадов. Схема автономна, т.е. не требует внешнего опорного генератора. При использовании частоты биений между модами, удаленными друг от друга на различные межмодовые интервалы, можно получить «гребенку» стабильных частот в оптическом диапазоне с жесткой привязкой к частотам радиодиапазона. Если это необходимо, ширина спектра Т1:8а-лазера может быть увеличена с помощью одномодового оптического или фотонного кристаллического волокна.

2) Провал интенсивности на холостой и сигнальной волне

3) Одиночный пик пропускания интерферометра Фабри-Перо

4) Хопф-нестабильности при увеличении мощности накачки

Провал интенсивности на сигнальной и холостой частотах значительно облегчает диагностику эффекта фазового самозахвата, а уширение собственной моды резонатора ПГС приведет к выгодному увеличению полосы пропускания системы фазовой привязки.

При увеличении мощности накачки в 4 раза над пороговой мощностью зарегистрированы Хопф-осцилляции. Возникновение Хопф-осцилляций является индикацией дестабилизации ПГС-ССФ.

Экспериментально исследована зависимость диапазона фазового самозахвата от длины волны накачки и от мощности накачки.

Диагностикой мультикаскадного режима в ТПГС-ССФ является:

1) Уширение собственной моды резонатора ТПГС при его сканировании;

2) Провал интенсивности на холостой и сигнальной волне;

3) Совокупность нескольких пиков пропускания интерферометра Фабри-Перо.

4) Хопф-нестабильности при увеличении мощности накачки

Исследования параметрического осциллятора с самосинхронизацией фазы в трехрезонаторной конфигурации с помощью эталонов Фабри - Перо в качестве частотных и фазовых дискриминаторов показали два режима работы ПГС-ССФ:

1) В одночастотном режиме при делении частоты на 3

2) В многочастотном режиме работы с возможностью генерации боковых частот

При наличии оптики с компенсацией дисперсии возможно получение пассивной синхронизации мод в ПГС-ССФ в ближнем и среднем ИК диапазоне в случае отстройки частоты ПГС от точки деления на три на интервал кратный межмодовому интервалу резонатора ПГС.

Признаки самосинхронизации фазы в режиме деления частоты на 3 и в многочастотном режиме, описанные выше не отличаются. В том и в другом режиме работы наблюдается провал интенсивности при сканировании резонатора ПГС и уширение собственной моды резонатора. При увеличении интенсивности накачки наблюдаются низкочастотные осцилляции, которые дестабилизируют работу ПГС-ССФ. В режиме деления на три спектры пропускания эталонов показывают одночастотный режим генерации ПГС, при отстройке частоты от режима деления на три на интервал кратный межмодовому интервалу ПГС — многочастотный режим генерации.

Пятичастотный режим генерации (наличие вторичного вложенного ПГС) открывает возможности для создания непрерывных оптических параметрических осцилляторов с любыми комбинациями частот, которые могут быть заданы величиной периода А1 и Л2 соответствующей секции в периодически поляризованной структуре из ниобата лития или КТР. При этом специальная разветвленная конфигурация в структуре нелинейного элемента позволяет перестраивать вторичный параметрический генератор в широком диапазоне, достигающем нескольких сотен нанометров. Частоты первичного ПГС не изменяются, поскольку величина периода в ПГС секции не зависит от координаты У.

Продемонстрирована компактная, эффективно перестраиваемая каскадная ПГС система, позволяющая независимо от первичного ПГС контролировать фазовый синхронизм для вторичного параметрического осциллятора. Уникальными характеристиками системы являются следующие параметры: насыщение сигнала на первичной сигнальной частоте, линейная зависимость выходной мощности от мощности накачки ПГС, перестройка по длине волны в широком (200 нм) диапазоне. Самосинхронизации фазы сигнальной и холостой волн в двухрезонаторном оптическом параметрическом осцилляторе наблюдалась, когда отношение частот накачки, сигнальной и а холостой волн находились в соотношении œp:œs:cûi = 3:2:1 . При этом пятичастотный режим осцилляций был вырожден в трехчастотный.

В перспективе система может быть использована в качестве перестраиваемого источника когерентного оптического излучения во всем диапазоне прозрачности ниобата лития для спектроскопических, метрологических, а также специальных задач.

ПГС с самосинхронизацией фазы, в которых используется принцип конкуренции двух нелинейностей х (1):Х (2)> в комбинации с фемтосекундным лазером могут быть использованы для абсолютного измерения оптических частот в широком диапазоне спектра от УФ- до среднего ИК-диапазона и для создания фемтосекундных оптических часов нового поколения.

Замена лазера накачки Verdi на Nd:YAG/I2 стандарт частоты позволит использовать данную систему в качестве автономного мультиоктавного синтезатора оптических частот.

Эффективность преобразования и перестроечные характеристики 10-OCWOC и 4-OCWOC КТР структур были экспериментально исследованы (Глава V). Экспериментальные исследования полностью подтвердили теоретические предположения о том, что 2N-OCWOC структуры ведут себя как нелинейный двулучепреломляющий фильтр. Селективность этого нелинейного фильтра будет ограничена шириной синхронизма одной пластинки. Селективность фильтра будет увеличиваться с увеличением количества пластинок в 2N-OCWOC структуре.

Наличие модуляции интенсивности на перестроечные кривых 2N-OCWOC структур не является результатом технологической ошибки при ориентации структур. Модуляция мощности второй гармоники возникает в результате воздействия функции передачи нелинейного двулучепреломляющего фильтра.

Эффект, который является следствием технологической ошибки при ориентации пластинок, приводит только к уширению полосы пропускания при угловой перестройке.

Были исследованы эффекты при апериодичной компенсации угла сноса. Апериодичная компенсация угла сноса воздействует на функцию передачи нелинейного двулучепреломляющего фильтра. Ротация на 180 градусов второй половины Ю-ОС\¥ОС структуры приводит к уменьшению мощности второй гармоники в 2 раза по сравнению с Ю-ОС\УОС структурой.

2М-ОС\УОС структуры могут быть использованы для увеличения эффективности преобразования при критическом синхронизме при использовании различных нелинейных материалов. Однако, для плоскопараллельных пучков никакого улучшения эффективности преобразования не наблюдается.

Экспериментально показано, что эффективность преобразования во вторую гармонику в 10 секционном ОС\\ЮС - кристалле с компенсацией угла сноса по сравнению с монолитным кристаллом увеличивается в 22 раза. Это позволяет повысить эффективность преобразования частот в прикладных нелинейных оптических устройствах, таких как генератор второй гармоники, генераторы суммарной и разностной частот, а также ПГС. В измерительных комплексах на основе фемтосекундного лазера (глава II) с интерферометром замена КТР кристалла на 21М-ОС\\ЮС структуру приведет к увеличению сигнала биений на частоте ^ что измерить частоту ^ напрямую без ^асккщ-осциллятора. 21Ч-ОС\\ЮС структуры на основе халькогенидов (Ы1п8е2, 1Л1п82, ЬЮа8е2) с широким диапазоном пропускания от видимого до ИК-диапазона позволяют создавать высокоэффективные преобразователи частоты в области 2-9 мкм (ПГС), как это было продемонстрировано в наших последних работах по наносекундным ПГС в 2009-2010 году[162-164].

Кристаллические структуры с компенсацией угла сноса 2>1-ОС\УОС на основе ИК-материалов являются альтернативой классическим периодическиполяризованным структурам для преобразования из видимого и ближнего ИК-диапазона в ИК-диапазон, где коммерческие периодически-поляризованные структуры уже не работают.

1. Spence D.E., Kean P.N., Sibbett W. Opt. Lett., 16, 42 (1991)

2. Krausz F., Fermann M.E., Brabec T., Curlet P.F., Hofer M., Ober M.H., Spielmann C., Wintner E., Schmidt A.J., IEEE J.Quantum Electron., 28, 2097 (1992)

3. Udem Th., Holzwarth R., Haensch T.W. Nature, 416, 233 (2002)

4. Knight J.C., Birks T.A., Russell P.St J., Atkin D.M. Opt. Lett., 22, 961(1996)

5. Birks T.A., Wadsworth W.J., Russell P.ST.J Opt Lett., 25 1415(2000)

6. J.-J. Zondy et al, "Theory of self-phase-locked optical parametric oscillators", Phys. Rev. A 63, pp. 023814 (2001)

7. J.-J. Zondy, "Stability of the self-phase locked pump-enhanced singly resonant parametric oscillator, Phys. Rev A67, 03581 (2003)

8. L. Longchambon et al, "Non-linear and quantum optics of a type II OPO containing a birefringent element, Part 2 : bright entangled beams generation" e-print arXiv:quant-ph№ 11123 (2003).

9. A. Douillet, J.-J. Zondy, G. Santarelli, A. Makdissi, A. Clairon, IEEE Trans. Instrum. Meas. 50, p. 548 (2001).

10. S. Schiller, R.L. Byer, J. Opt. Soc. Am. B 10, p. 1696 (1993)

11. P. Lohdahl, M. Saffman, Phys; Rev. A 60, 3251 (1999); M. Bache, P. Lohdal, A.V. Mamaev, M. Marcus, M. Saffman, Phys. Rev. A 65, p. 033811 (2002).

12. K. P. Chung, A. Marcano, J. Opt. Soc. Am. B 5, p. 2524 (1998).

13. P. Coullet, K. Emilsson, Physica D 61, p. 119 (1992).

14. L. A. Lugiato, C. Oldano, C. Fabre, E. Giacobino, R. J. Horowicz, Nuovo CimentoD 10, p. 959 (1988).

15. C. Ritchy, K. I. Petsas, E. Giacobino, C. Fabre, L. Lugiato, J. Opt. Soc. Am. B 12, 456 (1995).

16. P. Suret, D. Derozier, M. Lefranc, J. Zemmouri, S. Bielawski, Phys; Rev. A 61,p. 021805(2000).

17. A. Douillet, J.-J. Zondy, A. Yelisseyev, L. Isaenko, S. Lobanov, J. Opt. Soc. Am. В 16,p.l481 (1999).

18. S. A. Diddams, L.-S. Ma, J. Ye, J. L. Hall, Opt Lett. 24, 1747 (1999).

19. A. Einstein, B. Podolsky, R. Rozen, Phys. Rev. 47, 777 (1935).

20. M. Vaupel, A. Maitre, C. Fabre, Phys. Rev. Lett. 83, p. 5278 (1999).

21. P. Manneville, Structures dissipatives, Chaos et Turbulece, Ed. Aléa Saclay, Commissariat à l'Energie Atomique (1991).

22. M.C. Croos, P.C. Hohenberg, Pattern formation outside of equilibrium, Rev. Mod. Phys. 65, p. 851-1112(1993).

23. Z.Y. Ou, S .F. Pereira, H.J. Kimble, K.C. Peng, Phys. Rev. Lett. 68, p. 3663 (1992).

24. S. Longhi, Spiral waves in a class of optical parametric oscillators, Phys. Rev. E 63, p.055202 (2001).

25. J.-J. Zondy et all., "Dynamical signatures of self phase-locking in a triply resonant parametric oscillator", Phys. Rev. Let. Vol. 93, Number 4, 2004.

26. J.-J. Zondy and D. Kolker, Franco N.C. Wong, "Dynamical signatures of self phase-locking in a triply resonant parametric oscillator", Phys. Rev. Let. Vol 93, Number 4, 2004.

27. Параметрический осциллятор с конкуренцией двух % (2)нелинейных процессов. Очёвидный динамический признак режима деления частоты Зга—» 2а>, со.

28. J.J. Zondy, С. Bonnin, D. Lupinski, " Second-harmonic generation with monolithic walk-off-compensating periodic structures. I. Theory." JOSA B, vol 20, No 8, August 2003.

29. JJ. Zondy, D. Kolker, C. Bonnin, D. Lupinski, " Second-harmonic generation with monolithic walk-off-compensating periodic structures. II. Experiment." JOSA B, vol 20, No 8, August 2003, p.1695-1707.

30. J.-J. Zondy, A. Douillet, A. Tallet, E. Ressayre, M. Le Berre, Phys. Rev. A 63, 023814 (2001).

31. Д.Б.Колкер , A.K. Дмитриев, А.С.Дычков, Ж.Ж. Зонди, Франко Вонг, "Двухрезонаторный оптический параметрический осциллятор с самосинхронизацией фазы", "Автометрия" т 44, №6, стр 66-75, 2008 год.

32. D. Kolker, А. К. Dmitriyev, P. Gorelik, F. N. С. Wong and J.-J. Zondy, "Self-Phase Locking in 3-to-l Triply and Doubly Resonant Optical Parametric Oscillators", Laser Physics №6 , 2008, p 796-799.

33. Параметрический осциллятор с конкуренцией двух % (2)нелинейных процессов. Очевидный динамический признак режима деления частоты Зсо—> 2ю, ш.

34. P. V. Gorelik, F. N. С. Wong, D. Kolker, and J. -J. Zondy, "Cascaded optical parametric oscillation with a dual-grating periodically poled lithium niobate crystal," Opt. Lett. 31, 2039-2041 (2006).

35. Д.Б.Колкер , A.K. Дмитриев, А.С.Дычков, Ж.Ж. Зонди, Франко Вонг, "Двухрезонаторный оптический параметрический осциллятор с самосинхронизацией фазы", "Автометрия" т 44, №6, стр 66-75, 2008 год.

36. D. Kolker, А. К. Dmitriyev, P. Gorelik, F. N. С. Wong and J.-J. Zondy, "Self-Phase Locking in 3-to-l Triply and Doubly Resonant Optical Parametric Oscillators", Laser Physics №6 , 2008, p 796-799.

37. Bagayev, S.N., Chebotayev, V.P., Klementyev, V.M., andPyltsin, O.I., 1991, Proc. of 10th Int. Conf. on Laser Spectroscopy (Font-Romeu), p. 91.

38. Chebotayev, V.P., Klementyev, V.M., Pyltsin, O.I., and Zakhariash, V.F., 1992, Appl. Phys. B, 54, 98.

39. Diddams, S.A., Jones, D.J., Ma, L.-Sh., et al., 2000, Opt. Lett., 25, 186.

40. G.P. Agrawal, Nonlinear Fiber Optics (Boston: Academic, 1989).

41. N. Tzoar and M. Jain, Phys. Rev. A, 23, 1266 (1981).

42. A.B. Fedotov, A.M. Zheltikov, A.P. Tarasevitch, M.V. Alfimov, A.A. Ivanov, L.A. Golovan., P.K. Kashkarov, A.A. Podshivalov, V.l. Beloglazov, J. Haus, and D. Von der Linde, Quantum Electronic 31, p. 387, 2001.

43. Xu, L., G. Tempea, A. Poppe, M. Lenzner, Ch. Spielmann, F. Krausz, A. Stingl and K. Ferencz, 1997, Appl. Phys. B 65, 151.

44. Xu, L., G. Tempea, A. Poppe, M. Lenzner, Ch. Spielmann, F. Krausz, A. Stingl,and K. Ferencz, 1997, Appl. Phys. B 65, p 151.

45. A. Bauch, H.R. Telle, Rep. Prog. Phys. 65, p 789 (2002)

46. H. Katori, M. Takamoto, V.G. Pal'chikov, V.D. Ovsiannikov, Phys. Rev. Lett. 91, p 173005 (2003)

47. R.W.P. Drever et al., App. Phys. B 31, p 97 (1983)

48. A. Quessada et al., J. Opt. B: Quant. Semiclass. Opt. 5, S150 (2003)

49. I. Courtillot et al., Opt. Lett. 28, p 468 (2003)

50. J.L. Hall, C.J. Bordre, Appl. Phys. Lett. 29, p 788 (1976)

51. J. Ishikawa, F. Riehle, J. Helmcke, Ch.J. Bordre, Phys. Rev. A 49, p 4794 (1994)

52. P. Lemonde et al., in Proc. of Frequency Control Symposium (IEEE, Pasadena, 1998)

53. G. Ferrari et al., Phys. Rev. Lett. 91, p 243002 (2003)

54. G. zu Putlitz, Z. Phys. 175, p 543 (1963)

55. F. Buchinger, R. Corriveau, E.B. Ramsay, Phys. Rev. C 32, p 2058 (1985)

56. A.A. Celikov, A.M. Akulshin, V.L. Velichanski, A.S. Zibrov, Laser Phys. 5, p 739 (1995)

57. C.W. Bauschlicher, S.R. Langhoff, H. Patridge, J. Phys. B 18, p 1523 (1985)

58. I. Sobelman, Atomic spectra and radiative transitions (Springer-Verlag, 1979)

59. P. T. Nee "Optical Frequency Division via Periodically-Poled-LiNbO 3 -Based Nonlinear Optics", MIT, (1999).

60. J. J. Zondy, A. Douillet, Physical Review A, 63, 023814 (2001).

61. J. J. Zondy, Physical Review A, 67, 035801 (2003).

62. J. J. Zondy, D. Kolker, N. C. Wong, Physical Review Letters, 93, 043902 (2004).

63. A. Yariv, Optical Electronics in Modern Communications, Oxford University Press, New York, NY, (1997) pp. 273-282

64. M. L. Bortz, M. L. Arbore, M. M. Fejer, Optics Letters, 20, 49 (1995)

65. M. M. Fejer, G. A. Magel, D. H. Jundt, R. L. Byer, IEEE Journal of Qunatum Electronics, 28, 2631 (1992).

66. L. E. Myers, et al, Journal of Optical Society of America B, 12, 2101 (1995).

67. M. Yamada, N. Nada, M. Saitoh, K Watanabe, Applied Physics Letters, 62, 435 (1993).

68. W. K. Burns, W. McElhanon, L. Goldberg, Photonics Technology Letters, 6, 252 (1994).

69. D. H. Jundt, Optics Letters, 22, 1553 (1997).

70. R. Graham, H. Haken Zeitschrift fur Physik, 210, 276 (1968).

71. D. Lee, N. C. Wong, Journal of Optical Society of America, 10, 1659 (1993).

72. E. J. Mason, N. C. Wong, Optics Letters, 23, 1733 (1998).

73. N. C. Wong, Physical Review A, 45, 3176 (1992).

74. A. E. Siegman, Lasers. University Science Books, Sausalito, CA., 1986

75. M. Vaidyanathan, R. C. Eckardt, V. Dominic, L. E. Myers, T. P. Grayson, Optics Express, 1, 49 (1997).

76. R. C. Eckardt, C. D. Nabors, W. J. Kozlovsky, R. L. Byer, Journal of Optical Society of America B, 8, 646 (1991).

77. I. Shoji, T. Kondo, A. Kitamoto, M. Shirane, R. Ito, Journal of the Optical Society of America B, 14, 2268 (1997).

78. V. D. Volosov, and A. G. Kalintsev, Optimum optical second-harmonic generation in tandem crystals, Sov. Tech. Phys. Lett. 2, pp 373-375 (1976).

79. L. K. Samantha, T. Yanagawa, and Y. Yamamoto, Technique for enhanced second harmonic output power, Opt. Commun. 76, pp250-252 (1993).

80. J.-J. Zondy, M. Abed, and S. Khodja, Twin-crystal walkoff-compensated type-II secondharmonic generation: Single-pass and cavity-enhanced experiments in KTP, J. Opt. Soc. Am. B 11, pp 2368-2379 (1994).

81. J.-J. Zondy, Experimental investigation of single and twin AgGaSel crystals for cw 10.2 fxm SHG, Opt. Commun. 119, pp 320-326 (1995).

82. K. Stoll, J.-J. Zondy, and O. Acef, Fourth-harmonic generation of a continuous-wave COO. laser by use of an AgGaSe2/ZnGeP2 doubly resonant device, Opt. Lett. 22, ppl302- 1304(1997).

83. D. J. Armstrong, W. J. Alford, T. D. Raymond, and A. V. Smith, Parametric amplification and oscillation with walkoff-compensating crystals, J. Opt. Soc. Am. B 14,/?/? 460-474 (1997).

84. E. Roiss'e, E. Louradour, O. Gay, V. Couderc, A. Barth'el'emy, Walk-off and phasecompensated resonantly enhancedfrequency-doubling ofpicosecond pulses using type-II nonlinear crystals, Appl. Phys. B 69, pp 25-27 (1999).

85. T. Kaing, J.-J. Zondy, A. P. Yelisseyev, S. I. Lobanov, and L. Isaenko, Improving the power and spectral performance of a 27-33 Thz AgGaSl difference-frequency spectrometer, IEEE Trans. Instrum. & Meas. 48, pp 592-595 (1999).

86. R. B. Andreev, K. V. Vetrov, V. D. Volosov, and A. G. Kalimtsev, Three-wave parametric processes in multicrystal nonlinear frequency converters, Opt. Spectrosc. 65, pp 90-93 (1988).

87. M. Brown, Increased spectral bandwidths in nonlinear conversion processes by use of multicrystal designs, Opt. Lett. 23, pp 1591-1593 (1998).

88. A. V. Smith, D. J. Armstrong andW. J. Alford, Increased acceptance bandwidths in optical frequency conversion by use of multiple walk-off-compensating nonlinear crystals, J. Opt. Soc. Am. B 15,pp 122-141 (1998).1. Содержание работы