Основные результаты 2021 года

Исследование динамики генерации ультракоротких импульсов в волоконных лазерах

На основе численного моделирования исследуется формирование шумовых импульсов с предельно широкими спектрами излучения [1-4]. Механизм спектрального уширения связан с керровской нелинейностью бездисперсионных оптических волокон, формирующих лазерный резонатор. Эффективность такого механизма спектрального уширения связана с высокой интенсивность солитонов, формирующих шумовой импульс, и их малой длительностью. На рис. 1А показана реализация спектра шумового импульса в выходном излучении I_ɷ, которая стохастически изменяется от одного прохода импульса по лазерному резонатору к другому. Такое изменение связано со случайным, хаотическим изменением солитонов, формирующих шумовой импульс. При усреднении по большому числу проходов излучения через резонатор (рис. 1Б) спектральный профиль становится регулярным. Он состоит из узкополосной части спектра, определяемой шириной полосы усиления, и широкополосного спектра, связанного с уширением спектра излучения за счет керровской нелинейности. Аппроксимация широкополосной части спектра в окрестности его вершины параболической зависимостью (тонкая кривая на рис. 1с) позволяет оценить его ширину по половине высоты. Для использовавшихся лазерных параметров эта ширина оказалась более чем в 10 раз больше спектральной ширины лазерного усилителя. При этом около 80% энергии импульса приходится на спектральные компоненты I_ɷ широкополосной части спектра. Широкополосная часть спектра монотонно увеличивается с увеличением длины бездисперсионного волокна.

Рис. 1. А – одна из хаотических спектральных реализаций шумового импульса в выходном излучении. Б – спектральное распределение шумового импульса, усредненное за 1000 проходов I_ɷ. с – спектральное распределение в логарифмическом масштабе. Пунктирной кри-вой обозначен спектральный профиль усиления лазерной усиливающей среды.

При отклонении дисперсии волокна от нуля, как в случае нормальной, так и аномальной дисперсии, ширина спектра уменьшается. В случае нормальной дисперсии частотный чирп, связанный с нелинейностью показателя преломления, приводит к расплыванию каждого из солитонов, формирующих шумовой импульс, и, соответственно, к уменьшению их пиковой интенсивности. В результате уширение спектра происходит только в начальной части волокна, где пиковая интенсивность солитонов достаточно велика. В случае аномальной дисперсии частотный чирп приводит к колебаниям солитонов и, соответственно, к колебаниям их частотного чирпа. Таким образом, монотонное увеличение ширины частотного спектра солитона происходит также только на части волокна. Волокно со средней дисперсией, близкой к нулю, может быть изготовлено за счет чередования достаточно коротких волокон с дисперсиями противоположных знаков.

Волоконные лазеры, работающие в режиме шумовых импульсов с широким спектром излучения, представляют интерес для применений в оптической когерентной томографии, оптических радарах и волоконно-оптических сенсорных системах.

Изучение когерентных нелинейных явлений, связанных с формированием и эволюцией ультракоротких импульсов в микроструктурированных средах

Совместно с сотрудниками лаб.11 аналитически и численно найдено и исследовано обширное многопараметрическое семейство устойчивых антипериодических диссипативных солитонных состояний в оптических χ⁽²⁾ микрорезонаторах. Эти состояния отвечают дуальным спектрально широким частотным комбам, центрированным на частоте накачки ω_p и получастоте ω_p/2. В качестве варьируемых параметров выступают длина волны и мощность накачки во вторую гармонику, а также добротности мод резонатора (см. рис. 2). Предсказания включают в себя эффекты слабых частотных расстроек и спонтанное нарушение симметрии. Наиболее обещающей спектральной областью является окрестность точки равных групповых скоростей первой и второй гармоник (λ_p вблизи 1349 nm для резонаторов на основе ниобата лития). Теория даёт чёткие предсказания для реализации частотных χ⁽²⁾ комбов [10-12].

Рис. 2. Зависимости параметра скорости солитона (первый ряд) и числа значимых линий в частотном комбе (второй ряд) от параметра мощности накачки η и спектрального расстояния до точки равных скоростей λ_p - λ_c. Подрисунки a), b), c) отвечают различным соотношениям добротности мод в области 1-й и 2-й гармоники. Значения скорости солитона v01 противоположны слева и справа от центра.

Теоретически и экспериментально исследовано влияние частотных расстроек, обусловленных неидеальностью выполнения условий фазового синхронизма, на эффективность генерации второй гармоники в χ⁽²) микрорезонаторах. Результаты модельных расчётов, указывающих на сильные нелинейные искажения формы линии, подтверждены экспериментами с микрорезонаторами на основе фосфида кремния. Найдено, что наблюдаемые эффекты чувствительны к соотношению добротностей мод в области 1-й и 2-й гармоник.

Исследованы свойства нелинейных пространственно-однородных световых состояний (фона) в χ⁽²) микрорезонаторах, отвечающих связанным 1-й и 2-й гармоникам, а также устойчивость этих состояний относительно пространственно неоднородных возмущений. Рассмотрены схемы с монохроматической накачкой в 1-ю и 2-ю гармоники. Показано, что свойства (включая пороги) неустойчивости, ведущей к генерации частотных комбов, в первом случае не имеют ничего общего с обычной параметрической генерацией. Изучено влияние разности групповых скоростей 1-й и 2-й гармоник на пороги неустойчивости нелинейного фона при различных схемах накачки. Исследованы необходимые условия для существования устойчивых солитонных состояний.

Совместно с коллегами из Анжуйского (Франция), Фрайбургского (Германия) и Цзянсунского (Китай) университетов продолжались исследования формирования световых структур в нелинейных средах и системах, включая волоконные генераторы ультракоротких импульсов света и микрорезонаторы. Дан анализ формирования шумовых импульсов в волоконных лазерах со спектральной шириной излучения, превышающей ширину полосы усиления, и проведено исследование генерации второй гармоники в оптических микрорезонаторах.

Сведения об участии в международных и российских конференциях: 

Komarov A., Zhao L., and Sanchez F. Formation mechanism of color domains in fiber lasers (invited) // Hubei Association for Science and Technology Home Program “International Forum on Laser Advanced Manufacturing”, – P. 14 / Wuhan, China (6 November). – 2021. – https://live.photoplus.cn/live/pc/56415309/#/live.

Sturman B., Podivilov E., and Smirnov S. Frequency combs in χ⁽²⁾ microresonators: An overview of theoretical predictions (invited) // Online conference and doctoral school “CHI-2 photonics in microresonators and beyond” / (13 – 14 April). – 2021. – https://www.microcomb-eu.org/chi-2-photonics-videos.

Сведения о научно-образовательной деятельности:

Семинары (НГУ) “Механика”, “Общая теория относительности”, (к.ф.-м.н., доцент Ерофеев В.И.).

Перечень грантов:

Грант РФФИ № 20-02-00511. Сроки выполнения работы: 01.01.2020 – 31.12.2022 г.

Основные результаты 2016 г.

Исследование пассивной синхронизации мод волоконных лазеров при запаздывающей инжекции генерируемого излучения в лазерный резонатор

На основе численного моделирования исследуется новый режим генерации волоконных лазеров, в котором пассивная синхронизация мод реализуется одновременно с режимом регулярных незатухающих пичков излучения, вызванных внутрирезонаторным насыщающимся поглотителем. Такой суперпозиционный режим возникает за счет того, что часть выходного излучения лазера, состоящего из элементов 1 – 4, работающего в пичковом режиме, выводится из генерционного резонатора, и через определенное время задержки, определяемое длиной волокна 5, инжектируется в лазерный резонатор. Для реализации такого режима необходимо, чтобы время задержки было близко к временному интервалу между соседними пичками.

Рис. 1. Схема исследуемого лазера. 1 - источник накачки, 2- усиливающее волокно, 3 – устройство, создающее нелинейные потери, уменьшающиеся с ростом интенсивности, 4 – система вывода генерируемого излучения, 5 – оптоволоконная линия задержки

На рис. 2 показано изменение энергии излучения со временем в активном кольцевом резонаторе в установившемся после переходного процесса режиме генерации.

Рис. 2. Энергия излучения в генерационном резонаторе как функция числа проходов поля по этому резонатору для устанавливающегося режима генерации, реализующегося после переходного процесса

При отсутствии оптоволоконной линии задержки 5, в задающем генераторе, работающем в режиме регулярных незатухающих пичков, реализующемся за счет нелинейных потерь 3, каждый генерируемый пичок формируется из начального излучения, интенсивность которого сравнима с интенсивностью внутрирезонаторного спонтанного шума. В результате в каждом импульсе выходного цуга, возникает своя, не зависящая от предыстории, пространственно-временная структура поля, что связано со стохастичностью затравочного излучения. В случае использования оптоволоконной линии задержки 5, каждый последующий пичок рождается из затравочного излучения предыдущего пичка. Возникающая преемственность характеристик генерируемых пичков обеспечивает режим пассивной синхронизации мод в предлагаемом лазере с резонатором восьмеричной конфигурации.

Обсуждаются преимущества предложенного режима генерации по сравнению с другими способами пассивной синхронизации мод волоконных лазеров. Предложенный режим представляет интерес для разработки генераторов устойчивых воспроизводимых высокоэнергетических импульсов света на основе волоконных лазеров.

 Публикации: 

1. Комаров А.К., Дмитриев А.К., Комаров К.П., Санчес Ф. Пассивная синхронизация мод волоконного лазера, работающего в режиме регулярных незатухающих пичков // Оптика и спектроскопия. – 2016. – Т. 121. С. 153–158.
2. Sanchez F., Komarov A., Grelu Ph., Salhi M., Komarov K., Leblond H. Collective dissipative soliton dynamics in passively mode-locked fiber lasers // In the book “Nonlinear optical cavity dynamics: from microresonators to fiber lasers” edited by Philippe Grelu, Chapter 10, P. 312 – 346. Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. – 2016. 544 p.

Исследование квантовых свойств и пространственной структуры заряженных доменных стенок в сегнетоэлектриках. Изучение линейных свойств и нелинейно-оптических эффектов в микро-резонаторах типа шепчущей галереи в отсутствие аксиальной симметрии

1. Аксиальная симметрия лежит в основе теории и приложений высоко-добротных микро-резонаторов типа шепчущей галереи. Однако, наличие важных анизотропных сред толкает исследователей к отказу от требования аксиальной симметрии. Мы показываем теоретически и экспериментально, что влияние потери азимутальной симметрии из-за оптической анизотропии умеренно для частот и добротностей мод резонатора. В то же время, влияние анизотропии на модовые функции весьма сильно. Это существенно модифицирует условия синхронизма для  χ⁽²⁾ нелинейных процессов и делает возможными широкополосную генерацию второй гармоники и параметрическую генерацию. Это открывает возможность для широкого использования одноосных и двуосных кристаллов с широкими окнами прозрачности и большими нелинейными коэффициентами в нелинейной оптике микрорезонаторов.

2. Заряженные доменные стенки, обладающие металлической проводимостью и контролируемые в объёме сегнетоэлектрика, представляют повышенный научный интерес. Наиболее важный метод формирования устойчивых заряженных стенок предполагает слабое освещение с энергией фотонов выше ширины запрещённой зоны. Мы исследуем теоретически влияние такого освещения на основные свойства стенки, включая её энергию и

Рис. 2. a) Спектральная зависимость коэффициента фазовой модуляции fмоды для нескольких оптически анизотропных кристаллов и радиусе резонатора R = 1 мм. b) Трансформация азимутального дискретного Фурьеспектра моды резонаторадля f = 100

пространственные профили поляризации, электростатического потенциала, и компенсирующего заряда. Ключевые материальные параметры – это величина спонтанной поляризации, диэлектрическая проницаемость и концентрация ловушек. Основные предсказания – существенное понижение энергии стенки и уменьшение потенциала под действием света. Эти особенности способствуют формированию заряженных стенок и достижению металлической стеночной проводимости.   

Публикации:

1. Furst J., Sturman B., Buse K., and Breunig I. Whispering gallery resonators with broken axial symmetry: Theory and experiment Acoustic whispering gallery modes within the theory of elasticity // Opt. Express.– 2016. – V. 24. P. 20143.
2. Sturman B. and E. Podivilov E. Charged domain walls under superbandgap illumination // Phys. Rev. B (submitted on 14.09.2016).

Основные результаты 2015 г.

Изучение многосолитонных режимов пассивной синхронизации мод волоконных лазеров при взаимодействии солитонов через самоинжектируемое узкополосное излучение, связанное с дисперсионными волнами

На основе численного моделирования дан анализ пассивной синхронизации мод волоконных лазеров в условиях дополнительной инерционной нелинейности показателя преломления внутрирезонаторной среды [1]. Показано, при таких условиях самоинжектируемое узкополосное излучение, связанное с дисперсионными волнами, излучаемыми солитонами вследствие сосредоточенности нелинейных потерь, приводит к расталкиванию солитонов на далеких расстояниях. При этом на близких межсолитонных интервалах превалирует их притяжение. Продемонстрировано, что при таком взаимодействии возникают связанные состояния близко расположенных солитонов и расталкивание образующихся многосолитонных структур (рис. 2.45). В результате реализуется гармоническая пассивная синхронизация лазерных мод, при которой после переходного процесса идентичные многосолитонные структуры эквидистантно располагаются вдоль кольцевого лазерного резонатора. Полученные результаты находятся в хорошем качественном согласии с результатами проведенных экспериментальных исследований с волоконным эрбиевым лазером (рис. 2.46) [2].

Рис. 2.45. Изменение распределения интенсивности I(τ) в кольцевом лазерном резонаторе с ростом числа проходов поля через резонатор ζ. Переходный процесс и устанавливающаяся пассивная синхронизация мод солитонных пар (а) и солитонных структур, состоящих из трех импульсов (б)

Рис. 2.45. Изменение распределения интенсивности I(τ) в кольцевом лазерном резонаторе с ростом числа проходов поля через резонатор ζ. Переходный процесс и устанавливающаяся пассивная синхронизация мод солитонных пар (а) и солитонных структур, состоящих из трех импульсов (б)

Публикации:

1. Komarov A., Komarov K., Sanchez F. Harmonic passive mode locking of bound-soliton structures in fiber lasers // Optics Communications, 2015, v. 354. P. 158–162.
2. Sanchez F., Komarov A., Grelu Ph., Salhi M., Komarov K., Leblond H. Collective dissipative soliton dynamics in passively mode-locked fiber lasers. P. 231-262 // In the book “Nonlinear optical cavity dynamics: from microresonators to fiber lasers” edited by Philippe Grelu. Wiley-VCHVerlagGmbH& Co. KGaA. –2016.325 p.

Исследование сверхсильного локального усиления светового поля вблизи заострений формы металлических наночастиц; изучение порогов бриллюэновской генерации в оптических микрорезонаторках типа шепчущей галереи

Исследованы плазмонные свойства металлических наночастиц, обладающих заострениями формы. Показана возможность гибридизации сверхлокализованных плазмонов, частоты которых определяются свойствами заострения, и обыкновенных плазмонов, локализованных на масштабе частицы. В условиях гибридизации частица действует подобно наноантенне. Поглощение ею энергии из падающей электромагнитной волны определяется бóльшим размером частицы. В то время как локальное усиление поля определяется отношением наибольшего к наименьшему размеру частицы, что обеспечивает локальное усиление поля падающей электромагнитной волны в районе заострения на несколько порядков величины (рис. 2.47).

Рис. 2.47. Иллюстрация усиления поля падающей волны в условиях гибридизации сверхлокализованного и обыкновенного плазмонов для гауссовского заострения с высотой h и отношением масштабов 100. Частота волны входит через известную зависимость ε'(ω). Цвет отражает кратность усиления

Рассчитаны и проанализированы пороговые мощности для вынужденного Бриллюэновского рассеяния в оптических твердотельных микрорезонаторах типа шепчущей галереи. Расчёты включают в себя определение акустических мод типа шепчущей галереи. Показано, что из-за наличия продольного и поперечного звука с существенно разными скоростями ситуация кардинально отличается от той, которая реализуется в случае жидкости и газа. Кроме того, облегчается выполнение условий синхронизма. Результаты исследования позволили объяснить ряд экспериментальных данных и предсказать новые закономерности.

Публикации:

1. Gorkunov M.V., Sturman B.I., Podivilov E.V. Selective excitation of plasmons superlocalized at sharp perturbations of metal nanoparticles // EPL, 2015, v. 110. P. 57004 (6 p.).
2. Gorkunov M.V., Sturman B.I., Podivilov E.V. Confining light with superlocalized plasmon resonances // The 9th International Congress on Advanced Electromagnetic Materials in Microwaves and Optics (Metamaterials 2015) (Oxford, UK, September  7−12, 2015). P. 82−84.
3. Sturman B., Breunig I. Acoustic whispering gallery modes within the theory of elasticity // J. Appl. Phys., 2015, v. 118. P. 013102 (6 p.).
4. Sturman B., Breunig I. Brillouin lasing in whispering gallery micro-resonators // New Journal of Physics, 2015, v. 17. P. 125006 (12 p.)

Основные результаты 2014 г.

Исследование режимов пассивной синхронизации мод волоконных лазеров, управляемой инжектируемым монохроматическим излучением

На основе численного моделирования показано, что нелинейное взаимодействие лазероного солитона и инжектируемой монохроматической непрерывной волны приводит к синхронизации их фаз [1]. Как следствие, скорость солитона начинает зависеть от амплитуды и частоты инжектируемого излучения (рис. 2.39). Установлено, что при совпадении частоты внешнего сигнала с частотой дисперсионных волн, излучаемых солитонами в лазерах с сосредоточенными внутрирезонаторными элементами и формирующих спектральные пики Келли (рис. 2.40), возникает механизм управления взаимодействием солитонов на больших расстояниях. Этот механизм связан с интерференцией инжектируемой волны и излучаемых солитонами дисперсионных волн, через которые реализуется взаимодействие солитонов на больших расстояниях. Продемонстрировано возникновение механизма отталкивания солитонов друг от друга, через который реализуется гармоническая пассивная синхронизация лазерных мод (многоимпульсная генерация с эквидистантным расположением идентичных импульсов в лазерном резонаторе). Полученные результаты находятся в хорошем качественном согласии с результатами экспериментальных исследований режимов пассивной синхронизации мод волоконных лазеров с инжекцией монохроматического излучения [2–4].

Рис. 2.39. Распределение интенсивности I(τ) и фазы φ(τ) результирующего излучения в окрестности солитонного пьедестала. Стрелками показано направление движения солитона и фазовых фронтов инжектируемого излучения в условиях их резонансного взаимодействия

Рис. 2.40. Спектральное распределение излучения. Резонансное взаимодействие реализуется при совпадении частоты инжектируемого излучения с частотой одного из пиков Келли

Публикации:

1. Komarov A., Komarov K., Niang A., Sanchez F. Nature of soliton interaction in fiber lasers with continuous external optical injection // Phys. Rev. A. – 2014. – V. 89. – P. 013833 (6 p.).
2. Niang A., Amrani F., Salhi M., Leblond H., Komarov A., Sanchez F. Harmonic modelocking in a fiber laser through continuous external optical injection // Opt. Commun. – 2014. – V. 312. – №1. – P. 1 – 6.
3. Niang A., Amrani F., Salhi M., Leblond H., Komarov A., Sanchez F. Control of soliton pattern through continuous external injection // Proceedings of SPIE Conference Photonics Europe, Nonlinear Optics and its Applications VIII (Brussels, Belgium, April 14–16, 2014). – V. 9136. – 2014. – P. 91361A.
4. Niang A., Amrani F., Salhi M., Leblond H., Komarov A., Sanchez F. Control of harmonic mode-locking in a fiber laser by continuous external optical injection // Proceedings of 16-th International Conference on Transparent Optical Networks ICTON 2014 (Graz, Austria, July 6–10, 2014). – 2014. – P. 1 – 4.

Исследование плазмонных свойств металло-диэлектрических 3D- наноструктур, обладающих заострениями формы; расчеты частот и модовой структуры для дисковых оптических микрорезонаторов типа шепчущей галереи

Показано экспериментально и теоретически, что нагрев оптически прозрачных изначально изотропных материалов маломощными непрерывными световыми пучками индуцирует сильную оптическую анизотропию. Эта анизотропия является результатом одноосных термооптических напряжений и эластооптического эффекта. Рассмотрены случаи стёкол и кристаллов ниобата лития (рис. 2.41). Найденный эффект важен для развития методов анализа свойств малого поглощения в оптически прозрачных материалах.

Рис. 2.41. Сравнение экспериментальных и теоретических результатов по угловым зависимостям AC сигнала для кристаллов ниобата лития

Дан обзор нелинейных эффектов в оптических микрорезонаторах типа шепчущей галереи, таких как генерация второй гармоники, параметрическая генерация, генерация оптических гребёнок. Данные эффекты отличает большая сила при малых мощностях оптической накачки [1].

Показано, что пересечение плазмонных ветвей наночастиц, отвечающих локализованным и суперлокализованным на остриях модам, приводит к их гибридизации, передаче энергии к остриям и гигантским эффектам локального усиления света [2–3].

Публикации:

1. Fieberg S., Sturman B., Kühnemann F., Buse K. Strong polarization effects in photothermal common-path interferometry // Opt. Lett. – 2014. – V. 39. – P. 3880.
2. Sturman B. Nonlinear phenomena with whispering gallery modes // 7th International conference «Solitons, Collapses and Turbulence» (Moscow, Russia, August 4–8, 2014). Technical Digest. – 2014. – P. 37.
3. Gorkunov M., Sturman B., Podivilov E. Field singularities and super-localized plasmons at sharp metal corners and tips // Proceedings of 8th International Congress on Advanced Electromagnetic Materials in Microwaves and Optics, 2014. – 2014. – P. 121 – 123.

Основные результаты 2013 г.

Исследование условий подавления многоимпульсной генерации и анализ механизмов реализации различного типа солитонных структур в волоконных лазерах с пассивной синхронизацией мод 

На основе численного моделирования показано, что диссипативный солитонный резонанс подавляет появление в генерации новых импульсов, обычно возникающих при увеличении накачки. Как следствие, энергия импульсов может достигать сколь угодно больших значений, определяемых уровнем накачки. Механизм подавления выхода в генерацию новых импульсов при увеличении накачки связан с их взаимодействием в усиливающей среде с насыщающимся усилением.

При этом генерация остается мультистабильной: число импульсов в устанавливающемся генерационном режиме зависит от начальных условий. В случае многоимпульсной генерации все импульсы имеют идентичные длительности, формы, частотные чирпы и пиковые интенсивности. Установлены условия реализации режима генерации одиночного импульса. Эффект подавления появления новых импульсов в лазерном резонаторе с ростом накачки может быть использован для генерации световых импульсов с высокой энергией.

Показано, что механизм формирования эквидистантного расположения световых импульсов в лазере с многоимпульсной пассивной синхронизацией мод и внешним инжектируемым излучением связан с интерференцией инжектируемого сигнала с солитонными крыльями. Определены условия перехода от режима связанных солитонов к режиму  гармонической  пассивной   синхронизации   лазерных   мод (рис. 2.35).

                                                        a                                                          б

Рис. 2.35. Зависимость числа импульсов (N) в лазерном резонаторе от накачки a при обычной пассивной синхронизации мод волоконного лазера (a) и в случае диссипативного солитонного резонанса (б)

Публикации:

1. Komarov A., Armani F., Dmitriev A., Komarov K., Sanchez F. Competition and coexistence of ultrashort pulses in passive mode-locked lasers under dissipative-solitonresonance conditions // Phys. Rev. A, 2013, vol. 87. P. 023838 (6 p.).
2. Sanchez F., Armani F., Niang A., Salhi M., Komarov A. Characterization of a highpower erbium-doped fiber laser // International Journal of Microwaves Applications, 2013, vol. 2, № 2. P. 89–92.
3. Niang A., Amrani F., Salhi M., Leblond H., Komarov A., Sanchez F. Harmonic modelocking in a fiber laser through continuous external optical injection // Optics Communications, 2014, vol. 312, № 1. P. 1–6. (www.elsevier.com/locate/optcom)
4. Мещеряков Д.В. Комаров А.К., Комаров К.П. Программа для ЭВМ «Система моделирования диссипативных солитонов “DSELab”» // Свидетельство о государственной регистрации № 2013613928, зарегистрировано 19.04.2013.
5. Smirnov G.I., Strekalov M.L., Bednarjevsky S.S. Nanoeffects by femtosecond laser radiation of the deuterium surface // SPIE Int. Conf. “Pacific Kim Laser Damage: Optical Materials for High-Power Lasers” (Shanghai, China, May 19–22, 2013). Technical Digest. P. 21.
6. Ерофеев В.И. Принципы повышения информативности теоретических сценариев физической эволюции плазмы // XXXVII Международная конференция по физике плазмы и УТС (г. Звенигород, Россия, 22–26 апреля 2013). Тезисы докладов. С. 134.
7. Komarov A., Amrani F., Dmitriev A., Komarov K., Sanchez F. Dissipative soliton resonance in passive mode-locked lasers // International Conference on Coherent and Nonlinear Optics ICONO/LAT 2013 (Moscow, Russia, June 18–22, 2013). Technical Digest. P. 1–2.
8. Komarov A., Dmitriev A., Komarov K., Sanchez F. Passive mode-locked fiber lasers: multipulse regimes and operation of high-energy pulses // The Sixth International Symposium Modern Problem of Laser Physics MPLP 2013 (Novosibirsk, Russia, August 25–31, 2013). Technical Digest. P. 224–225.

Исследование плазмонных резонансов и оптических свойств металлических 2D-наночастиц с заострениями формы; расчеты частотной конверсии в оптических микрорезонаторах на основе ниобата лития

Предсказано наличие двух фундаментальных эффектов для металлических нанопроволок, поперечное сечение которых обладает острыми углами. Во-первых, основная плазмонная мода испытывает сильный красный сдвиг с увеличением кривизны угла (рис. 2.36). Для достаточно больших значений кривизны резонансная частота плазмона определяется величиной угла. Во-вторых, основная плазмонная мода испытывает сильную локализацию вблизи угла. Это даёт возможность конструировать металлические наноструктуры с заданными резонансными свойствами, селективным частотным возбуждением и управляемой степенью ближнепольного усиления.

Рис. 2.36. а – зависимость резонансных плазмонных значений диэлектрической проницаемости для нанопроволоки квадратного сечения от параметра кривизны угла; б – пример дипольной собственной функции, демонстрирующий локализацию поверхностного заряда на угле

В оптических параметрических генераторах на основе дисковых резонаторов типа шепчущей галереи линия накачки становится сильно расщеплённой уже вблизи порога возбуждения. Мы моделируем это нелинейное поведение для экспериментов с дисковыми микрорезонаторами на основе ниобата лития и получаем отличное согласие с экспериментальными данными. Результаты расчётов позволяют прямо извлекать важную информацию о механизмах линейных и нелинейных потерь для генерационных волн и волн накачки.

Для 2D металлических наночастиц с заострениями формы показано существование двух новых эффектов. Нижняя плазмонная мода испытывает сильный красный сдвиг с увеличением кривизны заострения. Для достаточно больших значений кривизны резонансная частота определяется углом заострения. Кроме того, нижняя мода испытывает сильную локализацию вблизи заострения. Взятое вместе, это открывает новые возможности для создания линейных и нелинейных металлодиэлектрических наноструктур.

Мы анализируем влияние формы поперечного сечения металлических нанопроволок на плазмонные резонансы. Для слабой периодической модуляции проблема допускает полное аналитическое решение, указывающее на наличие ряда нетривиальных плазмонных свойств. Численные расчёты позволили существенно расширить область применимости аналитической теории. Для нанопроволок с острыми углами, обладающими варьируемой кривизной, предсказано наличие двух плазмонных явлений. Основная мода испытывает сильный красный сдвиг с увеличением кривизны угла. Для больших значений кривизны резонансная частота определяется углом заострения. Плазмонная мода испытывает сильную локализацию вблизи угла. Это даёт возможность управлять резонансными свойствами, селективным частотным возбуждением и степенью ближнепольного усиления.

Оптические моды типа шепчущей галереи в осесимметричных дисковых резонаторах сильно локализованы в экваториальной области. Используя эту отличительную особенность, мы получили простые аналитические выражения для частот и собственных функций этих мод, включающие большой и малый радиусы кривизны резонатора. Произведено сравнение аналитических результатов с данными прямых численных расчётов методом конечных элементов. Показано отличное согласие результатов. По результатам расчетов произведена экспериментальная идентификация основных мод в дисковом резонаторе на основе MgF2.

Публикации:

1. Sturman B., Podivilov E., Gorkunov M. Universal plasmonic properties of twodimensional nanoparticles possessing sharp corners // Phys. Rev. B, 2013, vol. 87, issue 11. P. 115406 (6 p.).
2. Breunig I., Sturman B., Buckle A., Werner C.S., Buse K., and Furst J. The structure of whispering-gallery resonances during optical parametric oscillation // Optics Letters, 2013, vol. 38. P. 3316–3318.
3. Sturman B., Podivilov E., Gorkunov M. Metal nanoparticles with sharp corners: Universal properties of plasmon resonances // EuroPhysics Letters (EPL), 2013, vol. 101, issue 5. P. 57009 (4 p.).
4. Gorkunov M., Sturman B.I., and Podivilov E.V. Tailoring plasmonic resonances of nanowires by corrugation and corners // International Congress on Advanced Electromagnetic Materials in Microwaves and Optics (Bordeaux, France, September 16–21, 2013). Technical Digest. P. 43–44.
5. Breunig I., Sturman B., Sedlmeir F., Schwefel H. G. L., and Buse K. Whispering gallery modes at the rim of an axisymmetric optical resonator: Analytical versus numerical description and comparison with experiment // Opt. Express, accepted.
6. Gorkunov M.V., Sturman B.I., and Podivilov E.V. Plasmons localized at nano-scale perturbations of flat metal surface // Phys. Rev. B, submitted.
7. Sturman B., Podivilov E., and Gorkunov M. Critical behavior of optical singularities near sharp metal corners and tips // Phys. Rev. B, submitted.

Основные результаты 2012 г.

Исследование взаимодействия ультракоротких импульсов в волоконных лазерах через дисперсионные волны, анализ устанавливающихся режимов генерации

Дан анализ формирования мощных солитонных крыльев, связанных с дисперсионными волнами, излучаемыми солитонами в волоконном лазере за счет их взаимодействия с сосредоточенными внутрирезонаторными элементами [1]. Показано, что в лазерах с аномальной дисперсией мощность таких крыльев значительно увеличивается за счет возникающих солитонных колебаний, обусловленных фазовой модуляцией импульсов, связанной с фокусирующей нелинейностью и частотной дисперсией показателя преломления. Исследованы изменения фазы и амплитуды поля вдоль таких крыльев. Определены значения энергии связи пары взаимодействующих солитонов для различных связанных состояний (рис. 2.20).

Рис. 2.20. Зависимость энергии связи для первых шести стационарных связанных состояний от величины доли нелинейных потерь η, создаваемых сосредоточенным насыщающимся поглотителем: η = 1 (1), η = 0.75 (2), η = 0.50 (3), η = 0.25 (4), η = 0 (5). Полные нелинейные потери, определяемые сосредоточенными и распределенными насыщающимися поглотителями, остаются неизменными для всех случаев

Дан анализ динамики формирования солитонных комплексов в волоконном эрбиевом лазере с петлей нелинейного усиливающего зеркала [2]. Продемонстрированы режимы генерации, аналогичные режимам, полученным в случае использования нелинейных потерь, связанных с нелинейной техникой поляризационного вращения. Сделан вывод об общности механизмов формирования таких комплексов для этих лазеров.

Определены механизмы реализации многоимпульсной пассивной синхронизации лазерных мод в волоконных лазерах с насыщающимися поглотителями [3, 4]. Исследованы режимы формирования упорядоченных многосолитонных структур в эрбиевом волоконном лазере. Показано, что возникающие при больших накачках протяженные солитонные кристаллы, состоящие из большого числа эквидистантно расположенных импульсов, при увеличении накачки распадаются на солитонные структуры меньших размеров.

Исследованы механизмы формирования связанных многосолитонных структур в волоконных лазерах с различными типами нелинейных потерь, определяющих свойства ультракоротких импульсов [5–8]. Выявлены условия реализации солитонных состояний, аналогичных различным агрегатным состояниям вещества (газ, жидкость, стекло, кристалл, поликристалл). Установлены необходимые требования на свойства нелинейно-дисперсионных параметров лазерной среды для реализации этих состояний.

Публикации:

1. Komarov A., Armani F., Dmitriev A., Komarov K., Meshcheriakov D., Sanchez F. Dispersive-wave mechanism of interaction between ultrashort pulses in passive modelocked fiber lasers // Phys. Rev. A, 2012, vol. 85. P. 013802 (5 p.).
2. Amrani F., Salhi M., Niang A., Komarov A., Sanchez F. Soliton pattern formations in figure-of-eight laser // Proceedings of SPIE Conference Photonics Europe, Nonlinear Optics and its Amplifiers (Brussels, Belgium, April 16–19, 2012). P. 843403 (7 p.).
3. Komarov A., Armani F., Dmitriev A., Komarov K., Meshcheriakov D., Sanchez F. Dispersive wave interaction between solitons in fiber lasers with saturable absorbers // Proceedings of IEEE, The International Symposium on Photonics and Optoelectronics (SOPO 2012) (Shanghai, China, May 21–23, 2012). P. 1–4.
4. Komarov A., Amrani F., Dmitriev A., Komarov K., Meshcheriakov, Sanchez F. Mechanism of dispersive-wave soliton interaction in fiber lasers // Proceedings of International Conference “Solitons, Collapses and Turbulence” (Novosibirsk, Russia, June 4–8, 2012). P. 91–92.
5. Sanchez F., Salhi M., Komarov A., Amrani F., Niang A. Soliton patterns formation in fiber lasers // Там же. P. 122–123.
6. Amrani F., Niang A., Salhi M., Komarov A., Sanchez F. Passive mode-locking of a 10 W double-clad fiber laser // Proceedings of 14th International Conference on Transparent Optical Networks (ICTON 2012) (Coventry, England, July 2–5, 2012). P. 1–4.
7. Бадалян А.М., Кашников Б.П., Пчеляков О.П., Смирнов Г.И. Способ металлизации поверхности полупроводника или диэлектрика. Патент РФ на изобретение № 2443799 // Официальный бюллетень Комитета РФ по патентам и товарным знакам, 2012, № 6.
8. Erofeev V.I., Meshcheriakov D.V. A decay of elecromagnetic wave quanta in a turbulent plasma during their interaction with langmuir waves // Proceedings of International Conference “Solitons, Collapses and Turbulence” (Novosibirsk, Russia, June 4–8, 2012). P. 58.

Изучение взаимосвязи между заострениями формы металлических наночастиц и свойствами плазмонных возбуждений, включая их спектр и ближнепольное усиление светового излучения

Показано, что непрерывная волна накачки на длине волны 532 нм индуцирует значительное долгоживущее поглощение света в широком спектральном диапазоне в изначально прозрачных номинально чистых кристаллах ниобата лития [1]. Индуцированный коэффициент поглощения растет линейно с интенсивностью накачки Ip вплоть до ее максимального значения Imax = 48 кВт/см2 (рис. 2.21). Развита модель переноса заряда под действием света, объясняющая указанные экспериментальные данные. Ее ключевым моментом является наличие скрытого резервуара фотоактивных электронов в виде большого числа заполненных локализованных центров вблизи потолка валентной зоны. Модель существенно расширяет существующие представления о светоиндуцированных электронных процессах в этом важном оптическом материале.

                                      Время релаксации, t [ms]                                                Время релаксации, t [ms]

Рис. 2.21. Светоиндуцированный коэффициент пропускания и его релаксация для разных длин волн λ_t и разных интенсивностей накачки

Аналитически и численно исследованы характеристики процессов трансформации света – прохождения, дифракции и возбуждения поверхностных плазмонов, – происходящих на границе раздела между воздухом и 1D перфорированным металлом [2]. Рассмотрены и сопоставлены случаи реального и идеального металла. Зависимость сечений указанных процессов от ширины щелей, от расстояния между ними, от длины волны света и от оптической диэлектрической проницаемости металла обнаруживают ряд сильных и ранее неизвестных аномалий.

Исследованы процессы возбуждения второй гармоники и оптической параметрической генерации в ультравысокодобротных оптических микрорезонаторах типа «шепчущей галереи» на основе нелинейного оптического материала – сегнетоэлектрика ниобата лития [3]. Анализ включает в себя наличие периодической модуляции направления спонтанной поляризации, обеспечивающей фазовый синхронизм. Важным элементом теории являются также свойства дополнительной температурной подстройки к узким дискретным резонансам.

Для нанопроволок с периодически модулированным поперечным сечением построена теория плазмонных мод, включающая в себя резо-нансные значения оптической диэлектрической проницаемости, степень их вырождения, а также соответствующие плазмонные собственные функции [4]. Теория основана на известном методе поверхностных интегралов. Аналитические расчеты в области слабой модуляции сечения дополнены результатами численного моделирования в режиме сильной модуляции. Показано наличие сильного нелинейного усиления красных сдвигов при достаточно большой кратности модуляции.

Предсказано, что плазмонные моды сильно локализованы в острых углах металлических нанопроволок [5–7]. Размер локализации определяется радиусом кривизны в угле, а резонансная частота возбуждения плазмонной моды существенно сдвигается в длинноволновую часть спектра и контролируется как углом раствора, так и отношением радиуса кривизны к поперечному размеру проволоки. Это позволяет селективно возбуждать плазмонные моды.

Основные результаты 2011 г.

Анализ взаимодействия ультракоротких импульсов в лазерных системах с различными типами нелинейных потерь

Исследованы особенности конкуренции ультракоротких импульсов и устанавливающихся режимов генерации в волоконных лазерах с различными зависимостями нелинейно-дисперсионной части коэффициента усиления импульсов от их пиковой интенсивности. Показано, что при определенных условиях возможна многоимпульсная генерация, в которой стационарные импульсы с отличающимися интенсивностями сосуществуют друг с другом.

Установлено, что для реализации такой генерации необходимо, чтобы крутизна спада в зависимости нелинейно-дисперсионной части коэффициента усиления солитонов от их пиковой интенсивности  была более значительной, чем крутизна нарастания. Дан анализ мультигистерезисной зависимости энергии внутрирезонаторного излучения от накачки для волоконных лазеров с пассивной синхронизацией мод. Выявлена связь энергетического мультигистерезиса с аналогичными гистерезисными зависимостями для пиковой интенсивности импульсов, количества импульсов в устанавливающемся режиме генерации и коэффициента усиления лазерной среды.

На основе численного моделирования исследованы особенности взаимодействия ультракоротких импульсов и их связанных состояний в волоконных лазерах с  насыщающимися поглотителями. Показано, что расстояние между  двумя взаимодействующими импульсами в устанавливающемся после переходного процесса режиме генерации может принимать набор квантовых значений, в котором соседние межимпульсные интервалы соответствуют стационарным связанным состояниям противоположной четности. Продемонстрированы характерные изменения  устанавливающихся состояний  при изменении параметров лазерной системы.  Показано, что степень устойчивости различных стационарных состояний может быть существенно различной (например, при вариации параметров лазерной системы все стационарные состояния одной четности могут оказаться неустойчивыми, при этом стационарные состояния противоположной четности по-прежнему устойчивы). Выявлены основные закономерности перехода в новые устанавливающиеся режимы генерации, связанные с возникающими неустойчивостями (переход в новые стационарные состояния, в состояния с периодическим или сложным стохастическим временным изменением характеристик взаимодействующих импульсов, в состояния с эквидистантным расположением импульсов в лазерном резонаторе – режим гармонической пассивной синхронизации мод). Разработанная модель пассивной синхронизации лазерных мод и представленные результаты позволяют описывать, интерпретировать и оптимизировать режимы генерации волоконных лазеров с различными нелинейными потерями, реализуемыми в том числе с использованием различных наноматериалов (среды с квантовыми ямами, нанотрубки, графен и др.). Дан анализ механизмов реализации связанных состояний солитонов с большими энергиями связи (порядка десятков процентов от энергии отдельного солитона) . Установлено,  что столь сильное взаимодействие импульсов обусловлено их мощными протяженными крыльями, формируемыми дисперсионными волнами. Такие волны излучаются солитонами из-за их периодического возмущения при прохождении через сосредоточенные внутрилазерные элементы. Конструктивная интерференция таких волн, излучаемых при каждом проходе импульса через резонатор, приводит к мощным протяженным солитонным крыльям, обеспечивающим дальнодействие. С использованием модели лазера с комбинацией сосредоточенных и распределенных потерь прямым численным экспериментом продемонстрирована реализация такого механизма и исследованы его основные свойства. В проведенном численном моделировании дальность эффективного взаимодействия солитонов определялась в десятки их длин. Ожидается, что при оптимальных условиях генерации дальность взаимодействия может быть существенным образом увеличена. Продемонстрирована  реализация механизмов притяжения и расталкивания ультракоротких импульсов через такое взаимодействие.

Рис. 1. Зависимость интенсивности солитонного крыла I(τ) от величины доли нелинейных потерь η, создаваемых сосредоточенным насыщающимся поглотителем: (1) η=1, (2) η=0.75, (3) η=0.50, (4) η=0.25, (5) η=0. Полные нелинейные потери, определяемые сосредоточенными и распределенными насыщающимися поглотителями, остаются неизменными  для всех случаев

Публикации:

1. А.К. Комаров, К.П. Комаров., Д.В. Мещеряков, Связанные состояния диссипативных солитонов в волоконных лазерах с насыщающимися поглотителями.  Автометрия, № 6, 2011.
2. А.К. Комаров, К.П. Комаров., Д.В. Мещеряков, Режимы связанных солитонов в волоконных лазерах с насыщающимися поглотителями.  Фотон-экспресс, № 6 (94), сс. 212-213, 2011.
3. А.К. Комаров, Д.В. Мещеряков, Разработка моделей и анализ режимов пассивной синхронизации мод волоконных лазеров. XII Всероссийская конференция молодых ученых по математическому моделированию и информационным технологиям (Новосибирск, 3 – 5 октября 2011 г.), Тезисы докладов, Новосибирск – 2011, сс. 39 – 40,  2011.
4. А.К. Дмитриев, А.К. Комаров, Д.В. Мещеряков, Мультигистерезис энергии излучения в волоконных лазерах с пассивной синхронизацией мод, Научный вестник НГТУ, № 1(42), сс. 57–66, 2011.
5. F. Sanchez, F. Amrani, M. Salhi, H. Leblond, A. Komarov, High repetition-rate Passively Mode-locked Fiber Lasers. Progress in Electromagnetics Research Symposium (PIERS 2011), Marrakesh, Morocco, March 20 - 23, 2011.
6. А.К.  Дмитриев, А.К. Комаров, Д.В. Мещеряков, Об одном классе решений нелинейного комплексного уравнения Шредингера, описывающего конкурентную динамику солитонов. Доклады АН ВШ РФ, № 1, сс. 1-15, 2011.
7. А.К. Комаров, А.К. Дмитриев, Д.В. Мещеряков, Гистерезис энергетических характеристик волоконных лазеров с пассивной синхронизацией мод, Фотон-экспресс, № 6 (94), сс. 214– 215, 2011.
8. Komarov, F. Amrani, A. Dmitriev, K. Komarov, D. Meshcheriakov, and F. Sanchez, Multiple pulse operation and bound statesof solitons in passive mode-locked fiber lasers. International Journal of Optics, Volume 2012 (2012), Article ID 418469, 13pages, doi : 10.1155/2012/418469, http://www.hindawi.com/journals/ijo/2012/418469/.

Разработка теории формирования световых структур в нанощелях металлов и фоторефрактивных кристаллах с самокомпенсирующимся нелинейным откликом

Экспериментально и теоретически исследована частотная перестраиваемость оптической параметрической генерации в радиально структурированном оптическом микрорезонаторе типа шепчущей галереи, созданном на основе кристалла ниобата лития [1]. Используя 1.04 мкм пучок накачки, мы перестроили длины генерируемых волн с 1.78 до 2.5 мкм, включая точку вырождения. Показано, что слабое децентрирование радиальной доменной структуры значительно расширяет возможность перестройки. Показано, что порог генерации лежит в милливатном диапазоне мощностей.

Используя разложения по собственным модам, мы проанализировали свойства пропускания, отражения и дифракции для наномасштабных щелей в реальном металле, обладающем оптической диэлектрической проницаемостью ε_m. Проведенный анализ включает в себя получение зависимостей эффективностей и сечений основных элементарных процессов (прохождения, дифракции, возбуждения поверхностных плазмонов и отражения) от ширины щели, длины волны света и ε_m. В сочетании с ранее исследованными эффективностями в пределе идеального металла, найденные зависимости демонстрируют разнообразие физических процессов в нано-оптике и формируют базис для расчетов аномально сильного прохождения света через нано-отверстия в металлах [2].

Как известно, светоиндуцированный перенос заряда в нелегированных кристаллах ниобата лития принципиально отличается от такового в кристаллах, лигированных Fe или Cu. С другой стороны, именно нелегированные кристаллы LiNdO₃ представляют основной интерес для многих оптических преложений в области высоких интенсивностей. Мы представляем обзор результатов по светоиндуцированному переносу заряда в этом важном материале [3]. В обзоре дано краткое описание фактов, известных для легированного материала, описание экспериментальных методов, специфичных для нелегированных кристаллов, а также изложение основных экспериментальных и теоретических результатов, известных к настоящему времени.

Обсуждаются возможные механизмы транспортных аномалий в нелегированных кристаллах.

Дан анализ эффектов замедления и ускорения световых импульсов в сегнетоэлектрике Sn₂P₂S₆, обладающем самокомпенсирующимся фоторефрактивным нелинейным откликом [4]. Показано, что оба эти эффекта могут быть реализованы в одном и том же образце при достаточно большой силе нелинейной связи. Установлено, что для данного типа нелинейности, в отличие от других типов фоторефративного нелинейного отклика, выходные импульсы не подвергаются шумовым искажениям, связанных с сильным пространственным усилением.

Развив феноменологический подход Ярива к описанию оптических микрорезонаторов, мы исследуем генерацию второй гармоники и оптическую параметрическую генерацию в микрорезонаторах типа шепчущих галерей на основе нелинейно-оптических материалов материалов [5]. Выходные характеристики для обоих эффектов определены через стандартные характеристики материала. Полученные результаты важны для оптимизации экспериментов по реализации нелинейно-оптических процессов при сверхнизких световых интенсивностях.

Исследованы эффективности элементарных процессов (пропускания, дифракции и возбуждения плазмонов), происходящих на границе раздела с нано-перфорированным металлом [6]. Рассмотрены случаи одиночной щели и периодической последовательности щелей, а также случай реального и идеального металла. Найденные эффективности обладают рядом острых и нетривиальных особенностей в субволновой области.

Публикации:

1. T. Beckmann, H. Linnenbank, H. Steigerwald, B. Sturman, D. Haertle, K. Buse, and I. Breunig, Highly tunable low-threshold optical parametric oscillation in radially poled whispering gallery resonators, Phys. Rev. Lett. 106, 143903, 2011.
2. M. Gorkunov, E. Podivilov, and B. Sturman, Transmission and scattering properties of subwavelength slits in metals,} Phys. Rev. B {\bf 83,} 035414, 2011.
3. F. Ludtke, N. Waasem, K. Buse, and B. Sturman, Light-induced charge-transport in undoped LiNbO₃ crystals (Review),} Appl. Phys. B, 105, 35-50, 2011.
4. B. Sturman, P. Mathey, and H. Jauslin, Slowdown and speedup of light pulses using the self-compensating photorefractive response, J. Opt. Soc. Am. B, 28, 347, 2011.
5. B. Sturman and I. Breunig, Generic description of second-order nonlinear phenomena in whispering-gallery resonators, J. Opt. Soc. Am. B, 28, 2465, 2011.
6. M. Gorkunov, E. Podivilov, and B. Sturman, Peculiarities of elementary transformation processes for 2D metal-dielectric structures, The Fourth International Workshop on Theoretical and Computational Nanophotonics, AIP Conf. Proc., 1398, 97-99, 2011.

Основные результаты 2010 г.

Развитие теории пассивной синхронизации мод волоконных лазеров с учетом волоконного двулучепреломления

Дан анализ динамики поляризации излучения при распространении  в анизотропных волокнах с кубической нелинейностью показателя преломления. Исследование проведено с использованием техники, связанной с параметрами Стокса S₁, S₂, S₃, и сферой Пуанкаре. Определены стационарные состояния, исследована их устойчивость, найдены аналитические выражения для изменения параметров Стокса S₁(z), S₂(z), S₃(z)  при распространении излучения по волокну для произвольных соотношений линейной и нелинейной составляющих анизотропии показателя преломления и произвольных начальных условий. На основе найденных аналитических решений установлена топология траекторий стоксовских параметров на сфере Пуанкаре (см. рис. 1). Показано, что при достижении нелинейной анизотропии определенной критической величины возникает три различных семейства траекторий. С использованием полученных результатов рассчитан коэффициент пропускания волокна, помещенного между двумя поляризаторами с различными ориентациями осей пропускания. Определены оптимальные условия для эффективного нелинейного переключения режимов пропускания излучения. Установлены условия наиболее эффективного формирования ультракоротких импульсов с использованием волокон, в которых линейная составляющая анизотропии существенно превышает нелинейную составляющую. Показано, что при оптимальных условиях линейная часть анизотропии не вносит существенных помех в эффективность формирования диссипативных солитонов, осуществляемого за счет нелинейной составляющей анизотропии. Также исследуется общий случай нелинейного кольцевого волокна с дополнительным контролем поляризации излучения посредством фазовых пластин. Дан анализ особенностей конкуренции диссипативных солитонов в условиях нелинейных потерь, создаваемых совместным действием линейной и нелинейной составляющих анизотропии показателя преломления волокна.

Рис. 2. Характерный вид траекторий на сфере Пуанкаре, определяющих изменение параметров Стокса при распространении излучения по волокну. (a), (b) вид траекторий со стороны противоположных полюсов P и P' при малых значениях нелинейной анизотропии показателя преломления. (c) вид траекторий при нелинейной составляющей анизотропии большей, чем ее линейная часть. Три семейства траекторий отделены друг от друга сеператрисой, имеющей вид двойной петли. Ось S₁ направлена вдоль оси P'P, ось S₂ перпендикулярна плоскости Q'P'Q. Ось S₃ перпендикулярна осям S₁ и S₂

Публикации:

1. Komarov A., Komarov K., Meshcheriakov D., Amrani F., Sanchez F. Polarization dynamics in nonlinear anisotropic fibers //  Phys. Rev. A, 2010, vol. 82. P. 013813  (14 p.).
2. Komarov A., Komarov K., Meshcheriakov D., Amrani F., Sanchez F. Dissipative solitons in passive mode-locked fiber lasers with nonlinear polarization rotation technique. Technical Digest, The Second International Conference: Nonlinear Waves – Theory and Applications, p. 207, Beijing, China, June 26–29, 2010.
3. Amrani F., Haboucha A., Salhi M., Leblond H., Komarov A., Sanchez F. Soliton complexes in a high power fiber laser // Proceedings of SPIE, 2010, vol. 7721. P. 77210B, (8 p.). (SPIE Conference Photonics Europe, Solid State Lasers and Amplifiers, Brussels, Belgium, April 12–16, 2010)
4. Salhi M., Amrani F., Haboucha A., Komarov A., Sanchez F. Analysis of soliton complexes in high power fiber lasers // Conference Proceedings, 12-th International Conference on Transparent Optical Networks (ICTON 2010). P. 1–4, (invited talk). (Munich, Germany, June 27 – July 1, 2010).

Разработка методов анализа взаимодействия света с пространственными структурами, включая наноструктуры

Показано, что широко распространённая концепция оптических собственных мод в волноводных системах без потерь, подразумевающая разделение на распространяющиеся и эванесцентные моды, требует пересмотра при приложении к структурам металл-диэлектрик. В дополнение к известным модам, существует последовательность аномальных собственных мод с комплексными константами распространения. Последовательный учёт аномальных мод позволил разработать новый метод моделирования оптических свойств субволновых металлических решёток с наноразмерными щелями. Решая уравнения Максвелла с граничными условиями для идеального металла, мы полностью описали пропускающие и рассеивающие свойства одиночной щели безотносительно к ее ширине. Эффективности элементарных процессов –  прохождения, дифракции и отражения –  проанализированы в субволновой области. Эти характеристики обладают рядом острых спектральных особенностей (см. рис. 3). Рассмотрена тесная связь со случаем реальных металлов с большим значением оптической диэлектрической проницаемости. На основании расчетов спектров пропускания и отражения продемонстрирована возможность применения таких структур для эффективной спектральной фильтрации оптических сигналов.

Показано аналитически и численно, что необычный фоторефрактивный нелинейный отклик сегнетоэлектрических кристаллов Sn₂P₂S₆ приводит к ряду необычных свойств фоторефрактивной оптической генерации. Объяснения особенностей уже наблюдавшихся в эксперименте, мы предсказываем новые режимы генерации.

Рис. 3. Зависимость коэффициента пропускания η_t и полной дифракционной эффективности η_d от параметра r=4l/λ, где λ- длина волны падающего излучения, l – полуширина щели, для различных углов падения на щель плоской электромагнитной волны: θ₀=0,  θ₀=60^○, θ₀=80^○

Произведена наносекундная запись пропускающих решеток в сильно легированных кристаллах LiNbO₃:Fe. В оксидизированных образцах темновая релаксация решеток показывает крайне необычную динамику. Она включает в себя сильный начальный рост эффективной дифракции. Обнаруженное аномальное поведение объяснено в рамках релаксационной модели, включающей в себя пироэлектрический эффект.

Публикации:

1. Горкунов М.В., Подивилов Е.В., Стурман Б.И. Моделирование оптических свойств наноразмерных решёток металл-диэлектрик методом собственных мод // Nanotechnologies in Russia, 2010, т. 5. С.  259–264.
2. Rebhi R., Mathey P., Jauslin H., and Sturman B. Peculiarities of coherent optical oscillation in Sn₂P₂S₆ crystals // JOSA, 2010, vol. 27. P. 725731.
3. Sturman B., Podivilov E., and Gorkunov M. Transmission and diffraction properties of a narrow slit in ideal metal // Phys. Rev. B, 2010, vol. 82. P. 115419 (6 p.).
4. Бадалян А.М., Бахтурова Л.Ф., Каичев В.В., Кашников Б.П., Поляков О.В., Пчеляков О.П., Смирнов Г.И. Формирование наноструктурированных тонких слоев при их газогетерогенном синтезе из малоразмерных летучих металлокомплексов на поверхности полупроводников и диэлектриков // Письма в ЖТФ, 2010, т. 36, № 6. C. 36–45, 2010.
5. Zapivalov N.P., Smirnov G.I., Bednarjevsky S.S., Golubyatnikov V.P. The laser photokatalysis of subatomic reactions in the hydrogen energetic technologies // The Complete Energy Journal, 2010, vol. 20. P. 33–35.
6. Бадалян А.М., Бахтурова Л.Ф., Каичев В.В., Поляков О.В., Пчеляков, Смирнов Г.И. Новая технология газогетерогенного синтеза наноструктурированных металлических слоев из малоразмерных летучих металлокомплексов // Материалы Междунар. конф. “Нанотехнологии функциональных материалов” (С.-Петербург, 22-24 сентября 2010). С. 82-88.
7. Kashnikov B.P., Smirnov G.I., Badalyan A.M., Bednarjevsky S.S. X-ray spectrometry for microanalysis of gas-heterogenius synthesis of the metalnanoparticles of the semiconductor surface. Techn.D. SPIE Int.Conf. “Scanning Microscopy”, Monterey, California, 17-19 May 2010. P.21.

Основные результаты 2009 г.

Связанные состояния диссипативных солитонов в волоконных лазерах

Исполнители: Комаров А. К., к.ф.-м.н., снс; Комаров К.П., д.ф.-м.н., зав.лаб.; Мещеряков Д.В., инженер-программист; Федосеев М.В., инженер-программист.

Развита теория формирования связанных состояний взаимодействующих солитонов в волоконных лазерах с пассивной синхронизацией мод, основанной на нелинейном керровском вращении поляризации излучения в волоконной среде. Показана устойчивость связанных состояний возникающей “двухсолитонной молекулы”. Установлена мультистабильность такого типа структурных образований. Оценен уровень шума, приводящего к разрушению солитонных молекул. Определены фазовые соотношения для соседних импульсов в связанном состоянии. Показано, что разность фаз для пиковых амплитуд соседних импульсов принимает значения, близкие к 0, π, π/2. Установлено, что солитонные структуры с различными типами связи сосуществуют друг с другом. Нулевые и π-связи приводят к симметричным структурным образованиям. В то время как π/2-связи приводят к асимметричным структурам, движущимся относительно симметричных образований.  Исследована динамика столкновения асимметричных структур с уединенными симметричными солитонами.

Рис. 4. Распределение интенсивности I(τ) для основного (a) и первых двух возбужденных состояний (b), (c) двухсолитонной  молекулы

Публикации:

1. Komarov A., Komarov K., Sanchez F. Quantization of binding energy of structural solitons in passive mode-locked fiber lasers // Phys. Rev. A, 2009, vol. 79. P. 033807 (7 pages).

Высокостабильные информационные последовательности ультракоротких импульсов в волоконных системах

Исполнители: Комаров А. К., к.ф.-м.н., снс; Комаров К.П., д.ф.-м.н., зав.лаб.; Мещеряков Д.В., инженер-программист; Федосеев М.В., инженер-программист.

Установлено, что энергия связи взаимодействующих ультракоротких импульсов в волоконном лазере может составлять несколько десятков процентов от энергии одиночного импульса. В результате взаимодействующие солитоны могут объединяться в устойчивые “многосолитонные молекулы” с различными типами связи между соседними импульсами. В силу большой энергии связи такие структурные образования демонстрируют высокую степень стабильности к различного типа возмущениям – десятипроцентные флуктуации интенсивности не меняли структуру последовательности. Полученные результаты представляют интерес для реализации высокостабильных помехоустойчивых информационных последовательностей ультракоротких импульсов в оптоволоконных системах. Кодировка информации в таких последовательностях выполняется за счет реализации различных типов связи между соседними импульсами вдоль солитонного цуга.

Рис. 2. Цуг связанных солитонов, в котором число 18051957 закодировано в двоичной систем с использованием основного и первого возбужденного типов связей (18.05.1957 – дата учреждения ИАиЭ СО РАН). В случае основного типа связи амплитуды соседних импульсов синфазны, в случае первого возбужденного типа связи  – противофазны

Публикации:

1. Комаров А.К., Комаров К.П., Санчез Ф. Информационные последовательности связанных солитонов в волоконных системаx // Фотон-экспресс, 2009, № 6. С. 110–111.
2. Komarov A., Haboucha A., Komarov K., Leblond H., Salhi M., and Sanchez F. Soliton interaction in fiber lasers. Chapter in monography: Recent Research Developments in Optics, vol. 7, part 1, p. 63–112, Editor Dr. S.G. Pandalai, Kerala (India): Research Signpost, 2009. 203 p.

Замедление световых импульсов в фоторефрактивных средах

Исполнитель: Стурман Б.И., д.ф.-м.н., гнс.

Исследованы возможности четырех-волнового фоторефрактивного смешения для замедления световых импульсов. Наличие дополнительного внешнего параметра – отношения интенсивностей пучков накачки – позволяет существенно улучшить характеристики прошедшего светового импульса. В частности, большие временные задержки оказываются достигнутыми без сильного пространственного усиления. Эти особенности реализуются вдали от порога беззеркальной генерации.

Рис. 3. Геометрическая схема четырех-волнового взаимодействия световых полей . Цифрами 1, 2 отмечены волны накачки, I4(0) –профиль  падающего на фоторефрактивный  кристалл импульса, I4(d)  – профиль прошедшего импульса, I3(0) – профиль отраженного импульса. Параллельные линии показывают светоиндуцированную решетку показателя в фоторефрактивноом кристалле		Рис. 4. Нормированный профиль интенсивности прошедшего импульсаа I4(d,t)/ I4max(d,t) ( tr – время релаксации фоторефрактивной среды) в случае силы фоторефрактивной связи g=-6 и полуширины гауссова входного импульса t0 = 2 tr, обозначенного на рисунке пунктирной кривой

Публикации:

1. Sturman B., Mathey P., Rebhi R., and Jauslin H.R. Nonlinear pulse deceleration using photorefractive four-wave mixing // J. Opt. Soc. Am. B, 2009, vol. 26. P. 1949 –1959.
2. Sturman B., Podivilov E., and Gorkunov M. Deceleration and shape-transformation of light pulses during phase conjugation in photorefractive media // Appl. Phys. B, 2009, vol. 95. P. 545–552.

Развитие теории нелинейных явлений в различных средах и системах осуществлялось в тесной взаимосвязи с экспериментальными исследованиями. Полученные теоретические результаты позволили адекватно интерпретировать результаты эксперимента, ставить перед экспериментаторами новые задачи и предсказывать результаты планировавшихся экспериментальных исследований. Развитие теории не ограничивалось тесным взаимодействием с экспериментом. Важной компонентой проводимых исследований является внедренческая составляющая. Это в первую очередь касается исследований, связанных со светорассеянием: за разработку и внедрение высокоинформативных методов и систем контроля агросырья и пищевой продукции сотруднику Лаборатории нелинейной физики д.ф.-м.н. Смирнову Г.И. присуждена Государственная премия Российской Федерации в области науки и техники (авторский коллектив:  Беднаржевский С.С., Бородин И.Ф., Верясов Ю.В., Власенко А.Н., Нестеренко А.Г., Сажинов Г.Ю., Смирнов Г.И., Ухов Г.Я.; указ Президента Российской Федерации о присуждении Государственных премий Российской Федерации № 870 от 22 июля 1998 г.). Материалы по ряду результатов оформлены и зарегистрированы как научное открытие, и его автор Г.И. Смирнов отмечен медалью П.Л. Капицы.