Группа ученых исследовала распространение предельно-коротких световых импульсов через резонансные среды

Группа ученых из Университета ИТМО под руководством члена-корреспондента РАН, профессора Николая Розанова в сотрудничестве с российскими коллегами с кафедры оптики СПбГУ и немецкими коллегами из группы профессора Уве Моргнера (Ultrafast Optics Group, Institut für Quantenoptik, Leibniz Universität Hannover) получили интересные результаты в области распространения предельно-коротких световых импульсов через резонансные среды.

Не так давно коллектив ученых опубликовал статью в престижном научном журнале Scientific Reports, входящем в Nature Publishing Group. В опубликованной работе авторы на теоретическом уровне показали, что предельно-короткие световые импульсы, несмотря на свою сверхмалую длительность, могут эффективно взаимодействовать друг с другом посредством наводимой ими поляризации среды. 

«Это было известно и ранее, всплеск работ по этой теме пришелся на 1960-е годы, когда развивалась лазерная физика, но, поскольку световые импульсы были длинные, то, о чем мы пишем, нельзя было реализовать. Оно хоть и витало в воздухе, но было тогда неактуально. Сейчас же, в условиях нового времени эта тема приобрела новое звучание и новую актуальность», – объяснил один из ученых Михаил Архипов.

Авторам удалось теоретически и численно продемонстрировать, что последовательность таких импульсов с определенными параметрами может позволить наводить в оптической среде светоиндуцированные решетки показателя преломления с периодом, на порядки меньшем длины световой волны, а также управлять периодом таких решеток на временах порядка фемтосекунд.

Результаты исследования и представляют несомненный фундаментальный интерес, и важны с практической точки зрения. Так, они могут привести к созданию нового поколения компактных и сверхбыстрых устройств нелинейной фотоники, таких как оптические переключатели и дефлекторы, которые используются в волоконно-оптических линиях связи и позволяют переключать свет между оптическими каналами связи. Дифракция света на таких решетках может найти применения в нелинейной оптике и спектроскопии.

По словам одного из молодых авторов статьи Антона Пахомова, эта работа стала лишь одним из направлений исследований в коллективе. Ученые также активно занимаются развитием новых методов генерации предельно-коротких импульсов, включая и субцикловые импульсы, а также новыми возможностями для управления пространственно-временными параметрами таких импульсов. В частности, ученые предложили ряд новых подходов к генерации униполярных субцикловых импульсов, то есть импульсов, обладающих ненулевой постоянной компонентой электрического поля. Такие импульсы могут оказывать однонаправленное воздействие на заряженные частицы, вследствие чего они могут служить уникальным инструментом для управления сверхбыстрыми процессами в веществе, вплоть до движения отдельных электронов. Результаты данных исследований только за последний год были опубликованы в целом ряде статей в престижных научных журналах, таких как Physical Review A, Optics Letters, Journal of Optical Society of America B и других изданиях. Подробнее ознакомиться со статьями можно по ссылкам (1, 2, 3).

Кроме того, результаты данных исследований по этой же теме авторы недавно обобщили в виде обзора в престижном отечественном издании «Письма в журнал экспериментальной и теоретической физики» и другого обзора в зарубежном журнале «Laser Physics», отмечает другой автор исследований, Ростислав Архипов.

По словам Ростислава Архипова, его и коллег также интересуют и другие проблемы взаимодействия предельно-коротких импульсов с нелинейными средами. В частности, одной из таких тем является возможность генерации предельно-коротких импульсов напрямую из лазера за счет так называемого эффекта самоиндуцированной прозрачности. 

Что такое эффект самоиндуцированной прозрачности? Допустим, у нас есть непрозрачное вещество, например, темное стекло, через которое ничего не видно. Если светить на него лазером, увеличивая интенсивность его свечения, то до определенного момента за стеклом все еще ничего не будет видно. Однако, когда интенсивность лазера становится очень высокой, стекло становится прозрачным. То есть, когда импульс очень короткий и очень интенсивный, стекло становится прозрачным, и при этом импульс проходит сквозь стекло, не теряя своей энергии.

Механизм генерации предельно-коротких импульсов напрямую из лазера за счет эффекта самоиндуцированной прозрачности получил название когерентной синхронизации мод (coherent mode-locking) и в перспективе позволит получать импульсы длительностью вплоть до одного оптического цикла непосредственно из компактного лазерного источника без необходимости использования каких-либо дополнительных оптических установок, таких как компрессоры, усилители и другие.

Другая оригинальная задача, над которой работает научная группа, – изучение излучения резонансных сред в условиях, когда возбуждающий среду предельно-короткий импульс перемещается по среде со скоростью, большей скорости света в вакууме  (наиболее тривиальный случай такого возбуждения – наклонное падение волны с плоским фронтом на плоский экран, при котором точка их пересечения всегда движется по экрану со сверхсветовой скоростью). Возникающее при этом излучение Черенкова обладает необычными спектральными характеристиками (так как появляется свет с другой частотой), что сильно отличает его от классического излучения резонансных сред.

Сейчас полученные результаты в большей степени носят теоретический характер, однако авторы планируют продолжить работу над исследованиями, в том числе проверить полученные результаты экспериментально, и рассчитывают в скором времени подтвердить их перспективность для создания новых поколений сверхбыстрых оптоэлектронных устройств.

Архив по годам:
Пресс-служба