Самовлияние поляризованного лазерного излучения в нелинейных средах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

■V МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ УКРАЇНИ

• КИЇВСЬКИЙ УНІВЕРСИТЕТ Ім. ТАРАСА ШЕВЧЕНКА

на правах рукопис*

ТУРЧИН ЯРОСЛАВ ОЛЕКСАНДРОВИЧ

САМОВПЛИВ ПОЛЯРИЗОВАНОГО ЛАЗЕРНОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ • В НЕЛІНІЙНИХ СЕРЕДОВИЩАХ

01.04.03 -Радіофізика

АВТОРЕФЕРАТ дисертації на здобуття вченого ступеня кандидата фізико-математичних наук

Робота виконана в Київському університеті ім. Тараса Шэвченка

Науковий керівник ~ доктор фізико-математичних наук,

професор Стрижевський Володимир Леонідович.

Офіційні опоненти :

доктор фізико-математичних наук, професор Борщ А.О.; доктор фізико-математичних наук, зав. відділом Тарасов Г.Г.

Провідна організація - Інститут теоретичної фізики АН України м. Київ. .

Захист відбудеться ' 1993 р.

/і? ' сб О год, на засіданні спеціалізованийі рада К 068.18.01.

при Київському університеті їм. Тараса Шевченка.

252127, Київ-127, просп. акад. Глушкова, 6,

радіофізичний факультет Київського універсигета.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Київського університету.

Автореферат розіслано

Вчений секретар спеціалізованої ради

•ШіЛ

1993 р.

канд. фіз.-мат. наук, доцент Шкавро А.Г.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми.

Серед численних нелінійно-оптичних явищ, які спостерігаються в рідинах, кристалах, волоконно'оптичних хвильоводах та інсих об'єктах,що мають кубічну неліяійність поляркзуемості, значне місце наложіть ефектам, зумовленим станом поляризації вектора електричної напруженості випромінювання* Характерною особливістю нелінійних поляризаційних ефектів, зумовлених наведеною полем анізотропісю, є само індукована зміна поляризації ( СЗП ).При цьому, порад .з просторово-часовим перетворенням амплітуд взаємодіючих хвиль, змінюється стан поляризації випромінювання. Вивчаючи закономірності поведінки стану поляризації оптичного випромінюзаяня в нелінійних середовищах, монна одержувати багату інформацію про іх , властивості. З іншого боку, нелінійні поляризаційні едикти можуть бути покладені в основу різноманітних пристроїв оптоелектроніки та інтегральної оптики. Такі можливості зростають особливо в тому вкладку, колі полініяне середовище являється до того а анізотропнім, або лазерно-зетившм. При цьому стають різноманітнішими в порівнянні з нелінійним, ізотропзп'м випадком варіанти, поляризаційної структури випромінювання, що розповсюджується в такому середовищі. Виникнення нових закономірностей просторово-часової та поляризаційної динаміки лазерного випромінювання мас иісдо також у випадку, коли середовище поряд з нелішйністю - Зто порядку такси' мас ііелшійність 5то порядку. Деякі аспекти впливу ІГОЛІНІЯНОСТІ 5'ГО порядку у випадку лінійно поляризованого випромінювання вивчалися

раніше ( зокрема у працях Сухорукова А.П. ). В той жа час дослідаення поляризаційних ефектів при розповсідаеші оптичного випромінювання в таких середовищах не проводилось, хоча і викликає значний інтерес.

В цьому зв'язку в дисертації поставлена мета : .

Дослідаення фізичних іфоцесів при розповсюдаанні оіггачного випромінювання, в нелінійних , анізотропних та лазерно-активних середовищах та визначення напрямків практичного використання одержаних результатів у прикладних цілях. Дослідаення проводилося у трьох основних напрямках : по-перше, розглядалися явища СЗП плоских,монохроматичних хвиль в нелінійних, анізотропних та лазерно-активних середовищах. По-друге, досліджувалися, ефекти самовпливу лазерних, еліптично поляризованих пучків в ізотропному, нелінійному середовищі. По-третє, вивчалися особливості' вошву келінійності, 5-го порядку на просторово*часову та поляризаційну динаміку гаусових лазерних імпульсів, що розповсюджуються в нелінійних, одномодових волоконних світловодах.

Наукова новизна.

Вперше одержані слідуючі результати:

- дослідаено ефект самообертання та деформації еліпса поляризації оптичного випромінювання в нелінійному, анізотропному середовищі .Одержані вирази,що описують еволюцію параметрів еліпса поляризації, проаналізовано вплив анізотропії та нелініикості на динаміку стану поляризації плоскої, монохроматичної хвилі.

- дослідаено самообертання еліпса поляризації в лазерноактивному, ізотропному середовищі з кубічною нелінійністю поляризації. Виязлено, що наявність лазерної активності - суттєво

змінює характер та величину повороту еліпса поляризації плоскої, монохроматичної хвилі в процзсі її розповсюдження;

• теоретично досліджено ефект самовзаємодії еліптично

поляризованого випромінювання в ізотропному, нелінійному

середовищі. З застосуванням пряного варіаційного методу досліджено самофокусування еліптично поляризованих хаусових

пучків світла. Одержані вирази, що описують структуру

просторового солітона, та , визначають залеяшість довжини

фокусування випромінювання від ступеня його еліптичності;

■ дослідоено ефект надкомпресі; гаусових імпульсів

світла в нелінійних середовищах, та ' вивчено його основні-

характеристики. Знайдено умови існування стаціонарних імпульсів світла з довільною поляризацією.

Практична цінність. , ' .

Практичне значення дисертації визначаться тим, що розв'язані в ній задачі відкривають нові перспективи у створенні приладів та пристроїв оптоелектроніки, волоконної та - інтегральної оптики.

Управління параметрами таких пристроїв мо;кна здійснювати шляхом зміни інтенсивності та поляризації оптичного випромінювання. У роботі також теоретично обгрунтовано ефективність компреси

лазерних імпульсів при відповідному виборі нелінійного середовказ.

' Апробація роботи.

Основні результати роботи доповідалися на :

1. Всесоюзній конференції ' Оптика лазерів ", Ленінград, 1987 р.

2. Всесоюзній конференції по спектроскопії комбінаційного

розсіювання світла, Ужгород, 1989 р. ■ .

3. Всесоюзних та республіканських семінарах .-Симферополь,1989 * 1990 р.рТ

4. Міжнародній конференції " Огггика лазерів ' ,С.-Патербург, 1993

Р- ■ ' '

Публікації.

Основний зміст дисертації відображено у 10 публікаціях ( з них 7 " статті ), список яких приводиться у кінці автореферату.

Структура і об’єм дисертації.

Дисертація складається з вступу, трьох глав, висновків та списка цитованої літератури з 97 назв. Загальна кількість сторінок 104. , у тому'числі 28 малюнків на 24 сторінках.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовується актуальність дослідаень самовпливу поляризованого лазерного випромінювання в нелінійних середовищах; . проводиться огляд літератури з аналізом сучасного стану проблеми; дається коротка анотація усіх глав дисертації. '

Перша глава дисертації присвячена дослідженню ефекта самоіндукованої зміни стану поляризації.плоских, монохроматичних,

еліптично поляризованих електромагнітних хвиль, що розповсюджуються в слабко анізотропних та лазерно-активних середовищах, які до того ж мають кубічну н9лініиність поляризуємості. Вплив анізотропії та нелінійності ( розділ І.І. ) на еволіцію параметрів еліпса поляризації вивчено у припущенні слг^кої анізотропії. При цьому анізотропія лінійної частини поляризуємості поряд з нелініяністю вважається причиною повільної1 зміни комплексної амплітуди електромагітної

хвилі. Нелінійна частина поляржзуємості враховується в ізотропному наближенні. Таке наближення, очевидно, мас рацію, бо анізотропія нелінійної поляризуємості буде малою величиною більш високого порядку, в порівнянні з анізотропією лівішої частини поляризуємості, і в першому наближенні може не враховуватися. Виявляється, що одночасний вшшв. анізотропії та нелінійності призводить до значного розширення спектра можливих рішень, що описують еволіцію стану поляризації еліптично поляризованого випромінювання. Знайдено та проаналізовано осцилюючкй режим зміни стану поляризації, а також досліджено випадок монотонної конверсії еліптичної поляризації випромінювання в лінійну'. Знайдено також умови , при яких стан поляризації випромінювання, що розповсюджується в анізотропному, нелінійному середовищі буде незмінним. Така поведінка зумовлена взаємною компенсацією впливу анізотропії та нелінійності. на амплітуди лінійпо поляризованих складових еліптичної поляризації. У розділі 1.2 знайдено та проаналізовано вирази, що описують еволюцію параметрів еліпса поляризації. Виявляється, що ' як і у випадку кубчно'нелінігного, лазерно-неактивного середовища, коефіцієнт еліптичності хвилі також буде незмінним. Залежність я» величини кута повороту еліпса поляризації від інтенсивності випромінювання та довжини сляху, пройденого хвилею' вглй, такого середовища, має істотно нелінійний характер.. З*явлється додатковий параметр

- коефіцієнт електричної накачюг з допомогою якого можна керувати поляризацією випромінювання на виході з такого середовища.Використання ефекту самообертання еліпса поляризації у пристрої, виконаному на відрізку одаомодового оптичного

1*-1493»

волокна, активованого лазерно*активними центрами, дасть змогу реалізувати оптичний поляризаційний вентиль душ управління лазерним випромінюванням.

У другій главі дослідаено ефекти поляризаційного самовпливу оптичного випромінювання, що - мають місце при розповсюдженні лазерних пучків світла в ізотропному, куб і чно* нелі н і иному середовищі. У розділі 2.1 з допомогою обчислювальних методів простожоно еволюцію стану, поляризації лазерного пучка в напрямі від його цзнтру до периферії. Виявилося, що по мірі розповсюдження пучка вглиб, нелінійного, ізотропного середовища, має місце ефективний перерозподіл - енергії • між взаємно

ортогональними компонентами поля, до. проходить на фоні самофокусування або дефокусування кожної з них. Розподіл поляризації в поперечному перетині пучка стає суттєво

неоднорідним., Ііри цьому виявилося, що основним механізмом зміни поляризаційної структури пучків є нелінійна взаємодія лінійно поляризованих компонент еліптичної поляризації, а самофокусування або дефокусування зумовлює . тільки кількісний його характер. ІІростежена еволюція еліптичності та величини кута поворота еліпса поляризації в центрі пучка.. Показано, що в цьому випадку самофокусування- підсилює відміну від моделі плоских хвиль, особливо для залежності кута поворота-від величини пройденого в нелінійному середовищі шляху. Розділ 2.2. присвячений теоретичному дослідженню ефекта самофокусування еліптично поляризованих

гаусових пучків світла в ізотропному, кубічно*нелінійному середовищі. З допомогою прямого варіаційного метода вдалося звести початкову систему вкорочених хвильових рівнянь в часткових

похідних до системи звичайних диференціали* рівнянь. Одержані допоміжні вирази * перші інтеграли * дозволили отримати слідуюча співвідношення : Qa1 +Сгр1-* Со * + Qo§Z

між налівширинами гаусових циркулярно поляризованих пучків О та р і повздожньою координатою | . Величини Сі , Сг ,

Co , Q . Оо ' константи, що визначаться комплексною еліптична поляризованою амплітудою поля на вході в ізотропне середовище, < при ) та параметрами його нелінійності.

Приведене співвідношення дозволяє проаналізувати залежність довжини самофокусування гаусового пучка від ступеня аого еліптичності на вході в сородовище. Дослідеена залежність порога самофокусування випромінювання від аого ексцзнтриситета. Одержані при цьому результати знаходяться в хорошій відповідності з експериментом. Визначено умови існування та знайдено конфігурацію просторового солітона ' еліптично поляризованого гаусова пучка, в якому має місце періодична зміна напівширин його циркулярно поляризованих складових. З допомогою обчислювальних методів дослідаена просторова еволюція напівширин циркулярно поляризованих гаусових пучків в широкій області зміни параметрів задачі - інтенсивності випромінювання та коефіцієнта еліптичності на вході в середовище. Показано, що пучок ‘ з інтенсивністю, меншою ніж порогова, дифракційно розширюється, при цьому зміна напівширин циркулярно поляризованих складових носить монотонний характер, як і в випадку лінійно поляризованого випромінювання. Немонотонний, осцидсгачиа характер зміни напівширин найбільш яскраво проявляється у випадку приблизного співпадзішя валипу дифракції та нелінійної рефракції, тобто біля порога я амофокусування. -

У главі 3 розглянута проблема розповсюдження поляризованих гаусових імпульсів світла в ізотропних одномодових світловодах, серорвина яких має нелінішпсть Зто та 5то порядку. Нелінійну поляризацію в цьому випадку можна записати у слідуючому вигляді :

}¡ЕҐЇ* £ієРе1£*«ґРе*2 .де / . у8 , }• ,

А СІУ

£ , <г - лінійні комбінації незалежних компонент тензорів /

Ь <£) „ . '

та л . Врахування нелінійності 5то порядку в задачах

розповсюдження коротких лазерних . імпульсів в одномодових

волоконних світловодах зумовлене тим, що нелінійні ефекти на

великих довжинах нелінійного середовища можуть накопичуватися.

З іншого боку, використання світловодів з серцевиною, нелінійність

5'го порядку- якої може бути значною { наприклад світловоди,

виготовлені з легованого напівпровідниками скла ), потребує

врахування-впливу цієї нелінійності навіть при відносно невеликих

їх довжинах. У розділі- 3.1 в рамках модифікованого нелінійного

рівняння Шредінгера та з допомогою прямого варіаційного методу

досліджено просторово-часову ' еволюцію лінійно Поляризованого

гаусового імпульса світла. Одержані вирази, що описують динаміку

напівшрини імпульса світла у випадку - різного співвідношення

величин і знаків 'кубічної нелінійності та нелінійності' п’ятого

порядку. Передбачено та проаналізовано режим надкомпресїі

випромінювання, причому знайдено умови, при • яких ефект

надкомпресії має місцз навіть у випадку дефокусуючої

кубічної нелінійності. . Зроблені оцінки- дозволяють

розраховувати на експериментальну реалізацію вказаного ефекта

та на його практичне використання у оігтоволоконних • компресорах

лазерних імпульсів. Знайдено умови розповсодкення в оптичних світловодах стаціонарних ' гаусових імпульсів та зроблено висновок про шрстктивність їх ' використання в системах оптичного, зв'язку. ’ В розділі 3.2 на основі запропонованого нице варіаційного метода розглянуто випадок розповсюдження в нелінійних однономодових волоконних світловодах еліптично поляризованих гаусових імпульсів світла. Одержана система звичайних" диференціальних рівнянь . відносно напівширин гаусових циркулярно поляризованих складових та знайдені її перлі інтеграли, що дало змогу прогнозувати монииві рішення. Зроблено висновок, що як і у випадку лінійно поляризованого випромінювання, надко’-шресія еліптично поляризованих гаусових імпульсів можлива, тільки' у випадку фокусуючого впливу нелінійності 5-го стушня. Одержана система звичайних диференціальних рівнянь також була проінтегрована чисельними методами при різноманітних співвідношеннях нелінійності Зто та 5то порядку. Знайдено області існування режиму ' надкомпресії еліптично поляризованих гаусових імпульсів' та визначена їх просторова ' структура в процесі розповстдення вздовж світловода. Показана принципова можливість існування в нелінійному ■ світловоді стаціонарних

еліптично поляризованих гаусових імпульсів світла та зроблено висновок, що для їх реалізації потрібно неспівпадання знаків нелінійності Зто та 5-го порядку. '

Положення, що виносяться на захист.

І. Розроблена теорія самоіндукованого змінювання стану поляризації плоских, монохроматичних, еліптично поляризованих

хвиль при їх розповсюдивші в анізотропному та лазерно-активному середовищі. .

2. Дослідаено просторову еволюцію неоднорідного стану поляризації пучків світла в нелінійних середовищах.

3. Розроблена теорія векторного самофокусування і формування

просторових солітонів гаусових пучків світла в ізотропних, нелінійних, середовищах. ' ■ •

4. Передбачено ефект надкомпресії гаусових імпульсів світла в нелінійних середовищах, що мать нєлінійність Зто та 5-го порядку і вивчені його основні характеристики. Знайдено умови існування стаціонарних імпульсів світла з довільною поляризацією.

Основні результати дисертації опубліковано у роботах :

1.Довгий Б.П..Марчэвския Ф.Н..Стрижевския В.Л..Турчин Я.А, Самовращэниэ эллипса поляризации оптического излучения

в лазерно-активных нелинейных средах " Тез.докл. Всесоюзн.конф. "Оптика лазеров", Ленинград, янв.1987 г."

Л.: ГОИ,1888.- Т.2.- С 142.

2.Марчевский Ф.Н..Стрижевския В.Л..Турчин Я.А. Самовращениэ

эллипса поляризации в лазерно*активной изотропной среде с кубической нелинейной поляризацией Доклады АН УССР.-1987.- N 2.- С.69 - 72. :

3.Довгиа Б.П..Марчевскиа Ф.Н..Стрижевския В.Л.,Турчин Я.А. Самовращрние и деформация эллипса поляризации оптического излучения в нелинейных средах Известия АН СССР, сер. физическая.' 1988.-Щ, N 6.’ С. 1129 - 1134.

4.Марчевский Ф.Н..Стрижэвския В.Л.,Турчин Я.А. Самоврашенка и осцилляции эллипса поляризации оптического излучения в анизотропной среде УФЖ.* 1989.- 34, n 12.- C.I82I • 1826. • їі.Марчовский Ф.Н. .Стрижевский В.Л.,Турчин Я.А. Влияние самовращэния и самодеформации эллипса поляризации возбуждающего излучения на комбинационное рассеяние света в кристаллах " Тез.докл Всесоюзн.конф.

по спектроскопии KP света ( Ужгород,10 - 13 октября 1989 г. ), Красноярск, 1989,4.11, С.81. б.Мзрчевский Ф.Н.,Стривевский В.Л.,Турчин Я.А. Передача информации через волоконные световоды с использованием обращения волнового фронта " Известия АН СССР, сер. физическая." 1890.-54, n 6.- C. 1105 * НОВ.

7.Марчевския Ф.Н.,Стрижевский В.Л.,Турчин Я.А.-Пространственные поляризационные солитояы в векторной теории самофокусировки •" Известия АН СССР, сер. физическая.' 1991.- 55, N 2,- С. 346 - 350.

Э.Марчевский Ф.Н..Стрижэвскиа В.Л.,Турчин Я.А.

■ Самоиндуцированноэ изменение состояния поляризации излучения в одномодовом оптическом волноводе •"

Квантовая электроника.Киев.- 1992, вып.41.- С.І - 5.

Э.Мэрчевскиз Ф.Н..Стржгавский В.Л.,Турчин Я.А. Самофокусировка эллиптически поляризованного оптического излучения " Квантовая электроника.Киев.- 1992, ВЫП.41.- С.13 - 17. ■

ГО.МзрчовскиЯ Ф.Н..Стрижевския В.Л.,Турчин Я.А.

Эволюция и сверхкомпрессия оптических импульсов в волоконных световодах " Тез.докл. Междунар.конф. " Оптика лазеров ", С.-Петербург, ишь 1993 г.- С.-П.: ГОИ, 1993.-Т.2.- С. 447. -

Подписано к печати 28.07.93. Формат 60x84 1/16. Офсетная печать. Бумага офсет. Усл.леч.л. 0,70. Тпраз 100 экз. Зак. 1493в. .

ШШ корпорации У1фНТК.' 252171, Клев, ул. Горького, 180. '