Четырехфотонные процессы в стеклянных волоконных световодах

— 2 —
ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
ШЕДШИЕ........................................................ 4
''ЛАВА I. ЧЕТЫРЕХФОТОННЫЕ НЕЛИНЕЙНЫЕ ПРОЦЕССЫ В СТЕКЛЯННЫХ
ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДАХ (СВС) (Обзор литературы) 12
§ I. Оптические свойства СВС ........................... 12
§ 2. Теоретическая модель четырехфотонного нелинейного процесса......................................... 21
§ 3. Четырехфотонные процессы в СВС (Обзор литературы) ........................................ 25
’ЛАВА П. ЧЕТЫРЕХФОТОННЫЕ ПРОЦЕССЫ В МАЛОМОДОВЫХ СВС 35
§ I. Межмодовый фазовый синхронизм в СВС ............. 35
§ 2. Методика экспериментов .......................... 43
§ 3. Четырехфотонные процессы при "двухыодовой" накачке. Экспериментальные результаты .......... 40
§ 4. Четырехфотонные процессы при "одномодовой" накачке. Экспериментальные результаты........... 53
’ЛАВА Ш. МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
СВЕТОВОДА НА ОСНОВЕ ЧЕТЫРЕХФОТОННЫХ ПРОЦЕССОВ 60
§ I. Спектральная ширина параметрического усиления
в СВС ........................................... 00
§ 2. Исследование дисперсионных характеристик СВС... 05 § 3. Частотное расщепление ^Рц - мод в эллиптичном СВС ............................................... 70
§ 4. Четырехфотонные процессы в двулучепреломляю-
щем СВС ......................................... 77
’ЛАВА 1У. НЕЛИНЕЙНЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ БИГАРМОНИЧЕСКОЙ ЛАЗЕРНОЙ НАКАЧКЕ СВС ............................................ 87
§ I. Методика экспериментов .......................... 07
§ 2. Когерентное антистоксово рассеяние света ........ 9Х
- 3 -
§ 3. Генерация узкополосного стоксова излучения 97
§ 4. Широкополосное антистоксово рассеяние света
в СВС ..............................................105
ЗАКЛЮЧЕНИЕ .....................................................ИЗ
ШЕРАТУРА .................................................... 116
- 4 -
ВВЕДЕНИЕ
Стеклянные волоконные световоды (СВС) с предельно низкими потерями ( < I дБ/км) в широком спектральном диапазоне открывают но-зые перспективы в решении ряда задач нелинейной оптики [I - 3] . 4алые поперечные размеры (в одномодовых световодах, например, раз-*ер сердцевины составляет 5... 10 мкм) и огромные длины (по сравнению с объемными (неволноводными) средами) взаимодействия излучения со средой в СВС делают последние уникальными объектами для исследования нелинейных эффектов. Отношение длины взаимодействия к поперечному сечению пучка излучения, характеризующее эффективность нелинейного взаимодействия в СВС, по сравнению с объемными (неволноводными) средами, в которых эти эффекты наблюдают, как травило, в фокальной области излучения накачки, выше на 5... 8 порядков. Несмотря на то, что нелинейные коэффициенты плавленого кварца - основного материала СВС - значительно меньше, чем у многих нелинейно-оптических материалов [4] , эффективность нелинейных процессов в СВС очень высока.
Так, например, при накачке излучением непрерывного лазера одномодового СВС перестраиваемое по частоте стоксово излучение в процессе вынужденного комбинационного рассеяния (ВНР) наблюдается при мощностях накачки Рн менее I Вт [5] , а генерация излучения в процессе вынужденного рассеяния Манделыптама-Бриллюэна (БРМБ) при Рн £ 0,5 мВт [б] .
С использованием СВС в исследованиях значительно расширяются возможности применения в качестве источников накачки относительно маломощных газовых лазеров с фиксированной частотой излучения и перестраиваемых в широкой области спектра лазеров на красителях и центрах окраски. А также открываются широкие возможности для управления параметрами лазерного излучения.
- 5 -
Следует заметить, что нелинейные эффекты могут оказаться крайне нежелательными для волоконно-оптической связи, приводя к деформации передаваемого светового импульса, а следовательно искажению полезной информации.
Преимущества СВС для исследования различных нелинейно-оптических явлений выражаются не только в выгодной геометрии световодов. В световодах имеется возможность независимо от профиля пучка излучения разбить на моды, конфигурация полей которых в определенных типах СВС может оставаться неизменной по всей его длине.
И, наконец, в СВС режимом распространения излучения можно управлять путем изменения параметров световода (диаметр сердцевины, разница показателей преломления сердцевины и оболочки): под-
бором этих параметров световод можно сделать одномодовым - с практически гауссовым профилем моды, маломодовым - с заданным числом мод или многомодовым - с числом мод =-Ю3. Можно также активно управлять поляризацией излучения в световоде [7] . При этом важно, что каждая мода в общем случае имеет свой эффективный показатель преломления и групповую скорость. При прохождении излучения достаточно большой мощности через СВС, в принципе, могут наблюдаться все нелинейные эффекты, связанные с кубической нелинейной восприимчивостью: ВКР, ВРМБ, четырехфотонные процессы, фазовая само-модуляция и др. Для эффективного протекания каждого из этих процессов требуются определенные экспериментальные условия. Например, процесс ВРМБ в СВС при накачке излучением одночастотного лазера, будет значительно более эффективным, чем в случае широкополосной накачки (в плавленом кварце спектральная ширина спонтанного рассеяния Манделыптама-Бриллюэна составляет несколько десятков МГц [3]). Четырехфотонные процессы будут эффективными, если выполняется условие фазового синхронизма между взаимодействующими волнами и т.д. Для исследования какого-то определенного нелинейного
- 6 -
процесса желательно подавить другие конкурирующие эффекты, например, путем подбора условий взаимодействия.
Из всех перечисленных нелинейных эффектов, четырехфотонные процессы (ЧП) наиболее ярко показывают специфику СВС как объекта для исследования. В ЧП два фотона накачки ( и йи)^)
рождают стоксов ( Аи)с ) и антистоксов с К А) фотоны согласно закону сохранения энергии:
1гидн1 + 1ги)на" (вл)
При этом должно выполняться условие фазового синхронизма, выражающее закон сохранения импульса в четырехфотонном процессе и заключающееся в следующем соотношении между волновыми векторами взаимодействующих волн:
Кн1+ Кцз = Кс + Ка , (В#2)
где Кс = 2 & П. (Л О/Л с. . Из -за дисперсии показателя прело-мления П. (Л с) при коллинеарном распространении взаимодействующих волн условие (В.2) в области нормальной материальной дисперсии не выполняется. Фазовый синхронизм в объемных средах, в простейшем случае, достигается при взаимодействии волн под определенными углами [8] .
А в СВС фазовый синхронизм может быть достигнут при распространении взаимодействующих волн по различным модам за счет компенсации материальной дисперсии П. (А с) » например, межмодовой.
Как будет показано в диссертации, исследуя в эксперименте частотные характеристики ЧП при фазовом синхронизме, можно получить ценную информацию о дисперсионных характеристиках самих СВС.
При этом многие характеристики световода, измеренные с помо-
- 7 -
;ью нелинейных методик, не поддаются исследованию традиционными :пособами. К таким характеристикам в первую очередь следует отнеси эффективные показатели преломления и групповые задержки отельных мод.
В вынужденном четырехфотонном процессе в СВС можно получить ■енерацию интенсивного перестраиваемого излучения: частоты гене->ации излучения стоксовых и антистоксовых компонент, определяемые 'словием фазового синхронизма, можно изменять путем соответствую-(его изменения межмодовой дисперсии световода. В свою очередь меж-юдовая дисперсия определяется параметрами СВС. Таким образом, 1арьируя параметры СВС (например диаметр сердцевины), можно осу-(ествлять перестройку частоты излучения генерации в широких пре-;елах [9, 10] . Причем, в отличие от процесса ВКР, при ЧП область [ерестройки частоты генерации не ограничивается областью колеба-’ельных резонансов среды (в плавленом кварце эта область прости->ается от 0 до 1200 см-'*' [II] ). В СВС на основе плавленого квар-;а эффективность ЧП, определяемая нерезонансной кубической воспри-мчивостыо у** , должна быть существенно выше эффективности
КР, так как %£» )’где Лз) ~ Резонансная куби-(еская восприимчивость [II] . При этом эффективность преобразовали в ЧП составляет несколько десятков процентов [12, 13] . Не-
омненный интерес представляет исследование нелинейных процессов фи бигармонической лазерной накачке СВС, открывающее новые воз-южности как с точки зрения создания перестраиваемых в широкой об-:асти спектра источников узкополосного излучения, так и при иссле-.ованиях спектроскопии колебательных резонансов в аморфных средах [12] .
К моменту начала работы над данной диссертацией в литературе шо известно всего несколько работ по исследованию четырехфотон-ых процессов в световодах в узкой спектральной области (см., на-
- 8 -
пример, [з] ). На основе этих работ, имеющих демонстративный ха-
рактер, нельзя было понять различные механизмы фазового синхронизма в световодах. Необходимо было расширить диапазон исследований, включая ближнюю ИК-область спектра, где СВС имеют минимальные потери и материальную дисперсию.Для этого потребовалась разработка экспериментальных методик на основе плавноперестраиваемых по частоте лазеров. Необходимы были исследования ЧП как при одночастотной (т.е. излучением одного лазера), так и при бигармонической лазерных накачках, в частности, когда разность частот бигармонической накачки плавно перестраивается в области неоднородноуширен-ных колебательных резонансов плавленого кварца, простирающейся от 0 до - 1200 см-1.
Основной задачей настоящей диссертации является систематическое исследование четырехфотонных процессов в маломодовых и одномодовых СВС. Процесс исследовался как при одночастотной, так и при бигармонической лазерной накачке на основе плавноперестраиваемых по частоте лазеров. Возможность достижения фазового синхронизма при ЧП в СВС позволила не только создать высокоэффективный источник перестраиваемого узкополосного излучения, но также разработать методики исследования физических параметров СВС.
В диссертации защищаются следующие положения:
1. В СВС возможно достижение фазового синхронизма при четырехфотонных процессах в широкой спектральной области (0,4*1,8мкм) путем компенсации фазовой расстройки вследствие материальной дисперсии межмодовой дисперсией на длинах СВС вплоть до нескольких десятков метров.
2. Измеряя в эксперименте спектральные характеристики ЧП при фазовом синхронизме, возможно определять различные физические характеристики СВС (фазовые постоянные, групповые задержки отдельных мод, двулучепреломление, эллиптичность сердцевины, ва-
- 9 -
риации диаметра сердцевины по длине). В световодах с достаточно малой эллиптичностью сердцевины существуют стабильные линейно-поляризованные ^*Рет “ моды высоких порядков ( £ > I ).
3. Вариации диаметра СВС по его длине увеличивают спектральную ширину фазового синхронизма когерентного антистоксова рассеяния.
4. Обнаруженный процесс генерации узкополосного стоксова излучения при совпадении частоты бигармонической лазерной накачки частотам колебательных резонансов плавленого кварца не требует выполнения условий межмодового фазового синхронизма, а зависимость интенсивности узкополосного стоксова излучения от частоты излучения накачки отражает спектр колебательных резонансов среды.
В первой главе дается краткий обзор литературы по данной теме. Описываются некоторые характеристики СВС, необходимые для понимания дальнейшего изложения: область прозрачности СВС, дисперсия, двулучепреломление световода. Приводятся уравнения, описывающие нелинейные процессы в среде с кубической нелинейностью. Рассматриваются основные характеристики четырехфотонного процесса. Приводится обзор экспериментальных работ по ЧП в СВС.
Во второй главе анализируется условие фазового синхронизма в СВС и показано два возможных типа фазового синхронизма - при "двухмодовой" и "одномодовой" накачках, соответствующие ЧП с "малыми" и "большими" частотными сдвигами. Описывается созданная экспериментальная установка для исследования ЧП в СВС при одночастотной накачке. Исследованы четырехфотонные процессы с частотными сдвигами от ~ 100 до 5500 см-'*' при накачке излучением с Лн= 0,532 и 1,064 мкм. Получена дискретная перестройка частоты излучения генерации стоксовых и антистоксовых компонент путем изменения комбинаций мод, в которых распространяются взаимодействующие волны.
Третья глава посвящена разработке методик для исследования физических параметров СВС (фазовые постоянные мод, их групповые задержки, вариации диаметра СВС, двулучепреломление, эллиптичность сердцевины СВС) с помощью четырехфотонных процессов.
В этой главе описываются результаты экспериментов по дискретной перестройке частоты излучения путем изменения диаметра СВС с "малым" шагом. Проанализирована и экспериментально продемонстрирована возможность определения дисперсионных характеристик направляемых мод СВС с помощью ЧП. Показано, что в исследованных СВС дисперсионные характеристики значительно отличаются от таковых в идализированных световодах со ступенчатым профилем показателя преломления. Показано, что, измеряя только частоты излучения стоксовых и антистоксовых компонент, можно определять важный параметр СВС - эллиптичность сердцевины.
В третьей главе проанализированы причины, приводящие к уши-рению спектральной ширины параметрического усиления ЧП и выявлены механизмы уширения, связанные с интенсивностью излучения накачки и вариациями диаметра СВС. Из экспериментально измеренных спектральных ширин стоксовых и антистоксовых компонент излучения оценены статистические и дискретные вариации диаметра СВС.
Представлены результаты по исследованию ЧП в одномодовом двулучепреломляющем СВС. Разработана методика определения двулу-чепреломления СВС на основе четырехфотонного процесса. Варьируя двулучепреломление исследованных световодов в широких пределах, получена перестройка частотного сдвига стоксовых и антистоксовых компонент излучения от 60 до 1000 см-1. Исследовано влияние внешних механических воздействий на спектральные характеристики ЧП.
Четвертая глава диссертации посвящена нелинейным процессам при бигармонической лазерной накачке СВС. Описана методика экспериментов по бигармонической лазерной накачке СВС с помощью пе-