| Аннотация |
Оптические гребенки, и соответствующие им во временном пространстве ультра-короткие импульсы, лежат в основе многих технологий, от метрологии и время-разрешенных измерений до медицины и обработки материалов. Традиционно для этой цели используются лазеры с синхронизацией мод, в том числе волоконные лазеры, обладающие высокой стабильностью, относительной компактностью и низкими шумами. Такие системы, описываемые обобщенным уравнением Гинзбурга-Ландау, обладают богатой динамикой и поддерживают различные режимы генерации в зависимости от соотношения дисперсии, нелинейности и дизайна лазера. Параллельно развивается подход к генерации гребенок, основанный на использовании высокодобротных микрорезонаторов. В этом случае гребенка, называемая также керровским комбом, формируется при непрерывной накачке узкополосным лазером в резонанс микрорезонатора за счет каскадного 4х-волнового смешения, что в случае когерентной гребенки дает последовательность коротких солитонных импульсов на частоте повторений, равной межмодовому расстоянию микрорезонатора. Несмотря на схожесть двух подходов, они обладают существенными различиями. Гребенки микрорезонаторов описываются уравнением Lugiato–Lefever, которое имеет схожую структуру с уравнением Гинзбурга-Ландау, где важными параметрами системы являются дисперсия и нелинейность среды, однако здесь добавляется еще один ключевой параметр – отстройка между длиной волны лазера накачки и положением моды микрорезонатора. Данный параметр вместе с накачкой определяет, в частности, область существования гребенки, ее когерентность, а также количество солитонов в микрорезонаторе. Обладая очень интересной физикой, данные системы также обладают существенными недостатками, препятствующими ее практическому использованию. Во-первых, это сложная система запуска гребенок, требующая использования дорогих свипирующих лазеров. Во-вторых, это низкая конверсия мощности накачки в гребку. В последние годы появились подходы, позволившие существенно продвинуться в решении данных проблем. Наиболее развитым является подход основанным на самозатягивании полупроводникового лазера, который позволяет поднять эффективность конверсии выше 70% и получить генерацию комбов с кнопки.
Недавно появился альтернативный подход, основанный на включении микрорезонатора в резонатор волоконного лазера. В этом случае использовался интегральный микрорезоантор с двумя транспортными волноводами, включенный в волоконный лазер в режиме фильтрующего элемента. Уже в первых работах, начатых в 2019 г., была показана генерация когерентных оптических гребенок в режиме самозапуска с шириной спектра, превышающей ширину спектра усиления эрбия и частотой повторений импульсов 150 ГГц.
Научным коллективом под руководством заявителя проекта недавно был продемонстрирован альтернативный подход генерации гребенок на микрорезонаторах, совмещенных с волоконным лазером, основанный на использовании гребенки, распространяющейся в обратном направлении за счет резонансного рэлеевского рассеяния. В этом случае микрорезоантор используется вместо выходного зеркала и обеспечивает обратную связь лазера на частотах, соответствующих резонансам микрорезонатора. В данной конфигурации требуется только один транспортный волновод, что упрощает фабрикацию интегральных микрорезонаторов и позволит использовать также объемные кристаллические микрорезонаторы. Для данной схемы также продемонстрирован самостарт гребенки, спектр шириной 450 нм и полная конверсия энергии в гребенку.
Несмотря на технический успех данной конфигурации, динамика таких систем практически не изучена. Можно ожидать, что данная система, состоящая из двух нелинейных подсистем, каждая из которых способна поддерживать свой тип солитона, будет обладать богатой и интересной динамикой. Ее изучению и обобщению на более сложные случаи с нормальной или переменной дисперсией и несколькими активными средами, посвящен данный проект.
|
