Численные модели лазеров и большинства нелинейных оптических систем вытекают из уравнений Максвелла–Блоха (МБЭ). Этот полный набор дифференциальных уравнений в частных производных включает уравнения Максвелла для электромагнитного поля и полуклассические уравнения двухуровневых (или многоуровневых) атомов. По этой причине упрощенные теоретические подходы были разработаны для численного моделирования формирования лазерных пучков и их распространения с первых лет лазерной эры. [1] Приближение медленно меняющейся огибающей МБЭ следует из стандартного нелинейного волнового уравнения с нелинейной поляризацией в качестве источника: [2]
где :
в результате получается стандартное «параболическое» волновое уравнение:
, при условиях:
и .
Усреднение по продольной координате приводит к уравнению «среднего поля» Сучкова-Летохова (SLE), описывающему нестационарную эволюцию картины поперечных мод. [3]
Модель, обычно называемая уравнением Лугиато–Лефевра (LLE), была сформулирована в 1987 году Луиджи Лугиато и Рене Лефевра [4] как парадигма спонтанного формирования узоров в нелинейных оптических системах. [5] [6] [7] Узоры возникают в результате взаимодействия когерентного поля, которое вводится в резонансную оптическую полость, со средой Керра , которая заполняет полость.
Одно и то же уравнение управляет двумя типами паттернов: стационарными паттернами, которые возникают в плоскостях, ортогональных по отношению к направлению распространения света ( поперечные паттерны ), и паттернами, которые формируются в продольном направлении ( продольные паттерны ), перемещаются вдоль полости со скоростью света в среде и вызывают последовательность импульсов на выходе полости.
Случай продольных паттернов неразрывно связан с явлением « частотных гребенок Керра » в микрорезонаторах, открытым в 2007 году Тобиасом Киппенбергом и его коллегами [8] , которое вызвало очень живой интерес, особенно из-за открывшихся им прикладных возможностей.
Уравнение LLE
На рисунке 1 показан световой луч, распространяющийся в направлении , а и являются поперечными направлениями. Если предположить, что электрическое поле как , где обозначает время, линейно поляризовано и, следовательно, может рассматриваться как скаляр, то мы можем выразить его в терминах медленно меняющейся нормализованной комплексной огибающей следующим образом
где - частота светового пучка, инжектируемого в полость, и скорость света в среде Керра , заполняющей полость. Для определенности рассмотрим кольцевой резонатор (рис. 2) очень высокого качества (High-Q-резонатор).
В исходном LLE [4] предполагаются условия, при которых огибающая не зависит от продольной переменной (т.е. однородна вдоль полости), так что . Уравнение имеет вид
где и , являются нормированными временными и пространственными переменными, т. е . , , , причем - скорость затухания полости или ширина линии полости, дифракционная длина в полости. - параметр расстройки полости, причем - частота полости, ближайшая к . В правой части уравнения ( 1 ), - нормированная амплитуда входного поля, которое инжектируется в полость, второй - член затухания, третий - член расстройки, четвертый - кубический нелинейный член, учитывающий среду Керра, последний член с поперечным лапласианом описывает дифракцию в параксиальном приближении. Предполагается, что выполняются условия самофокусировки.
Мы называем уравнение ( 1 ) поперечным LLE. Несколько лет спустя [4] была сформулирована продольная LLE, в которой дифракция заменена дисперсией. [9] [10] В этом случае предполагается, что огибающая не зависит от поперечных переменных и , так что . Продольная LLE имеет вид
с , где зависит, в частности, от параметра дисперсии во втором порядке. Предполагаются условия аномальной дисперсии. Важным моментом является то, что после того, как получено путем решения уравнения ( 2 ), необходимо вернуться к исходным переменным и заменить на , так что стационарное решение, зависящее от - (стационарная модель), становится движущейся моделью (со скоростью ).
С математической точки зрения LLE представляет собой управляемое, затухающее, расстроенное нелинейное уравнение Шредингера .
Поперечный LLE ( 1 ) находится в 2D с пространственной точки зрения. В конфигурации волновода зависит только от одной пространственной переменной, скажем , а поперечный Лапласиан заменяется на и получается поперечный LLE в 1D. Продольный LLE ( 2 ) эквивалентен поперечному LLE в 1D.
В некоторых работах, посвященных продольному случаю, рассматривается дисперсия за пределами второго порядка, так что уравнение ( 2 ) включает также члены с производными порядка выше второго по .
Единые стационарные решения. Связь соптическая бистабильность.Четырехволновое смешениеиформирование паттерна.
Давайте сосредоточимся на случае, когда огибающая постоянна, т.е. на стационарных решениях, которые не зависят от всех пространственных переменных. Отбрасывая все производные в уравнениях ( 1 ) и ( 2 ) и взяв квадрат модуля , получим стационарное уравнение
Если мы построим стационарную кривую как функцию , то получим кривую, показанную на рис.3.
Кривая имеет форму -, и существует интервал значений, где есть три стационарных состояния. Однако состояния, которые лежат в сегменте с отрицательным наклоном, нестабильны, так что в интервале есть два сосуществующих устойчивых стационарных состояния: это явление называется оптической бистабильностью . [11] Если входная интенсивность увеличивается, а затем уменьшается, то охватывается цикл гистерезиса.
Если обратиться к модам пустой полости, то в случае однородных стационарных решений, описываемых уравнением ( 3 ), электрическое поле является одномодовым, соответствующим моде частоты, квазирезонансной с входной частотой .
В поперечной конфигурации уравнения ( 1 ) в случае этих стационарных решений E соответствует одномодовой плоской волне с , где и — поперечные компоненты волнового вектора, точно так же, как и входное поле .
Кубическая нелинейность Керра уравнений ( 1 ) и ( 2 ) приводит к четырехволновому смешению (ЧВС), которое может генерировать другие моды, так что огибающая демонстрирует пространственную картину: в поперечной плоскости в случае уравнения ( 1 ), вдоль полости в случае уравнения ( 2 ).
Поперечные узоры ирезонаторные солитоны
В поперечном случае уравнения ( 1 ) картина возникает из-за взаимодействия FWM и дифракции. FWM может привести, например, к процессам, в которых пары фотонов с поглощаются и, одновременно, система испускает пары фотонов с , и , таким образом, что полная энергия фотонов и их полный импульс сохраняются (рис.4).
На самом деле в игру вступают дальнейшие процессы FWM, так что принимается конфигурация гексагонального узора [12] (см. рис. 5).
Шаблон отображает упорядоченный массив пиков интенсивности. Можно также генерировать изолированные пики интенсивности, [13] , которые называются солитонами полости (см. рис. 6). Поскольку солитоны полости могут быть «записаны» и «стерты» один за другим в поперечной плоскости, как на доске, они представляют большой интерес для приложений в оптической обработке информации и телекоммуникациях.
Продольные паттерны и солитоны полости
В продольном случае уравнения ( 2 ) закономерности возникают из-за взаимодействия между FWM и дисперсией. FWM может приводить, например, к процессам, в которых пары фотонов продольной моды, квазирезонансной с поглощаются, и одновременно система испускает пары фотонов, соответствующие резонаторным модам, симметрично соседствующим с квазирезонансной модой, таким образом, что полная энергия фотона, а также полный продольный импульс фотона сохраняются.
На рисунке 7 показан пример паттернов, которые генерируются и перемещаются вдоль полости и из полости. Как и в поперечном случае, в продольной конфигурации могут генерироваться один или несколько солитонов полости Керра; на рисунке 8 показан случай одного солитона полости, который циркулирует в полости и производит последовательность узких импульсов на выходе. Такие солитоны были впервые обнаружены в волоконном резонаторе. [14]
Важно отметить, что нестабильность, которая порождает продольные паттерны и солитоны полости в LLE, является частным случаем многомодовой нестабильности оптической бистабильности, предсказанной Бонифацио и Лугиато в [15] и впервые экспериментально обнаруженной в [16] .
Микрорезонаторные керровские частотные гребенки и резонаторные солитоны
Оптические частотные гребни представляют собой эквидистантный набор лазерных частот, которые могут использоваться для подсчета циклов света. Эта техника, введенная Теодором Хэншем [17] и Джоном Холлом [18] с использованием лазеров с синхронизацией мод , привела к множеству применений. Работа [8] продемонстрировала реализацию широкополосных оптических частотных гребней, использующих моды шепчущей галереи, активированные полем непрерывного лазера, введенным в высокодобротный микрорезонатор, заполненный средой Керра, что приводит к возникновению FWM. С тех пор частотные гребни Керра (KFC), полоса пропускания которых может превышать октаву с частотой повторения в диапазоне от микроволн до ТГц, были созданы в самых разных микрорезонаторах; обзоры по этой теме см., например, в [19] [20]. Они предлагают значительный потенциал для миниатюризации и фотонной интеграции в масштабе чипа, а также для снижения мощности. Сегодня генерация KFC является зрелой областью, и эта технология применяется в нескольких областях, включая когерентную телекоммуникацию, спектроскопию, атомные часы, а также лазерную локацию и калибровку астрофизических спектрометров.
Ключевым стимулом для этих разработок стала реализация солитонов полости Керра в микрорезонаторах [21] , что открыло возможность использования солитонов полости Керра в фотонных интегрированных микрорезонаторах.
Продольный LLE ( 2 ) обеспечивает пространственно-временную картину вовлеченных явлений, но со спектральной точки зрения его решения соответствуют KFC. Связь между темой оптического KFC и LLE была теоретически разработана в. [21] [22] [23] [24] [25] Эти авторы показали, что LLE (или обобщения, включающие члены дисперсии более высокого порядка) является моделью, которая описывает генерацию KFC и способна предсказывать их свойства при изменении параметров системы. Спонтанное образование пространственных узоров и солитонов, перемещающихся вдоль полости, описываемой LLE, является пространственно-временным эквивалентом частотных гребенок и управляет их характеристиками. Довольно идеализированные условия, предполагаемые при формулировке LLE, особенно условие высокой добротности, были прекрасно материализованы впечатляющим технологическим прогрессом, который произошел в то же время в области фотоники и привел, в частности, к открытию KFC.
Уравнение Сучкова-Летохова
Усреднение по продольной координате приводит к уравнению СЛЭ «среднего поля» , в котором продольная производная отсутствует:
.
Строгая процедура [26] продемонстрировала, что этот предшественник LLE применим к моделированию нестационарной эволюции поперечной модовой картины в дисковом лазере (1966). При условии стационарной керровской нелинейности SLE сводится к LLE .
Квантовые аспекты
Два фотона, которые, как показано на рис. 4, испускаются в симметрично наклонных направлениях в процессе FWM, находятся в состоянии квантовой запутанности : они точно коррелируют, например, по энергии и импульсу. Этот факт является фундаментальным для квантовых аспектов оптических паттернов. Например, разница между интенсивностями двух симметричных пучков сжата, т.е. проявляет флуктуации ниже уровня дробового шума; [27] продольный аналог этого явления наблюдался экспериментально в KFC. [28] В свою очередь, такие квантовые аспекты являются базовыми для области квантовой визуализации . [29] [30]
^ Зигман, Энтони Э. (1986). Лазеры . Университетские научные книги. п. 2. ISBN 978-0-935702-11-8.
^ Крюков, П. Г.; Летохов, В. С. (1970). «Распространение светового импульса в резонансно усиливающей (поглощающей) среде». Успехи физики 12 (5): 641–672. doi :10.1070/PU1970v012n05ABEH003957.
^ Сучков, АФ (1966). "Влияние неоднородностей на режим работы твердотельных лазеров". ЖЭТФ АН СССР . 22 (5): 1026. Bibcode :1966ЖЭТФ...22.1026S.
^ abc Lugiato, LA; Lefever, R. (1987). «Пространственные диссипативные структуры в пассивных оптических системах». Physical Review Letters . 58 (21): 2209–2211. Bibcode : 1987PhRvL..58.2209L. doi : 10.1103/PhysRevLett.58.2209. PMID 10034681.
^ Turing, AM. (1952). «Химическая основа морфогенеза». Philosophical Transactions of the Royal Society of London B: Biological Sciences . 237 (641): 37–72. Bibcode :1952RSPTB.237...37T. doi : 10.1098/rstb.1952.0012 .
^ Николис, Г.; Пригожин, И. (1977). Самоорганизация в неравновесных системах. От диссипативных структур к порядку через флуктуации . Wiley, Нью-Йорк. ISBN978-0471024019.
^ Хакен, Х. (1983). Самоорганизация в неравновесных системах. От диссипативных структур к порядку через флуктуации . Берлин: Springer Verlag. ISBN978-3-642-88338-5.
^ ab Del'Haye, P. ; Schliesser, A.; Arcizet, O.; Wilken, T.; Holzwarth, R.; Kippenberg, TJ (2007). "Генерация оптической частотной гребенки из монолитного микрорезонатора". Nature . 450 (7173): 1214–1217. arXiv : 0708.0611 . Bibcode :2007Natur.450.1214D. doi :10.1038/nature06401. PMID 18097405. S2CID 4426096.
^ Haelterman, M.; Trillo, S.; Wabnitz, S. (1992). «Диссипативная модуляционная неустойчивость в нелинейном дисперсионном кольцевом резонаторе». Optics Communications . 91 (5–6): 401–407. Bibcode : 1992OptCo..91..401H. doi : 10.1016/0030-4018(92)90367-Z.
^ Брамбилла, М.; Кастелли, Ф.; Гатти, А.; Луджиато, Луизиана; Прати, Ф. (1993). «Неустойчивости и снижение квантового шума в нелинейно-оптическом смешении». Труды СУССП . 41 : 115–136.
^ Гиббс, Х. М. (1985). Оптическая бистабильность: управление светом светом . Academic Press, Inc., Орландо, Флорида. ISBN978-0122819407.
^ Gomila, D.; Jacobo, A.; Matias, MA; Colet, P. (2007). "Структура фазового пространства двумерных возбудимых локализованных структур" (PDF) . Physical Review E . 75 (2): 026217. arXiv : nlin/0703011 . Bibcode :2007PhRvE..75b6217G. doi :10.1103/PhysRevE.75.026217. hdl :10261/6146. PMID 17358415. S2CID 38460064.
^ Scroggie, AJ; Firth, WJ; McDonald s, GS; Tlidi, M.; Lugiato, LA; Lefever, R. (1994). «Формирование узора в пассивной полости Керра». Хаос, солитоны и фракталы . 4 (8–9): 1323–1354. Bibcode :1994CSF.....4.1323S. CiteSeerX 10.1.1.594.1475 . doi :10.1016/0960-0779(94)90084-1.
^ Лео, Ф.; Коэн, С.; Кокерт, П.; Горза, СП; Эмплит, П.; Хельтерман, М. (2010). «Временные резонаторные солитоны в одномерных средах Керра как биты в полностью оптическом буфере». Nature Photonics . 4 (7): 471–476. Bibcode :2010NaPho...4..471L. doi :10.1038/nphoton.2010.120.
^ Бонифачо, Р.; Лугиато, Л.А. (1978). «Неустойчивости когерентно управляемого поглотителя в кольцевой полости». Lettere al Nuovo Cimento . 21 (15): 510–516. doi :10.1007/bf02763162. S2CID 120619908.
^ Segard, B.; Macke, B. (1988). «Самопульсация в собственной оптической бистабильности с двухуровневыми молекулами». Physical Review Letters . 60 (5): 412–415. Bibcode : 1988PhRvL..60..412S. doi : 10.1103/PhysRevLett.60.412. PMID 10038540.
^ Лугиато, ЛА; Кастелли, Ф. (1992). «Квантовое шумоподавление в пространственной диссипативной структуре». Physical Review Letters . 68 (22): 3284–3286. Bibcode :1992PhRvL..68.3284L. doi :10.1103/PhysRevLett.68.3284. PMID 10045663.
^ Датт, А.; Люк, К.; Манипатруни, С.; Гаэта, А. Л .; Нуссенцвейг, П.; Липсон, М. (2015). «Оптическое сжатие на кристалле». Physical Review Applied . 3 (4): 044005. arXiv : 1309.6371 . Bibcode : 2015PhRvP...3d4005D. doi : 10.1103/PhysRevApplied.3.044005. S2CID 16013174.
^ Гатти, А.; Брамбилла, Э.; Лугиато, Луизиана (2008). Вольф, Э. (ред.). Квантовая визуализация . Прогресс в оптике. Том. ЛИ. стр. 251–348. doi : 10.1016/S0079-6638(07)51005-X. ISBN9780444532114.
^ Колобов, МИ (1999). «Пространственное поведение неклассического света». Reviews of Modern Physics . 71 (5): 1539–1589. Bibcode :1999RvMP...71.1539K. doi :10.1103/RevModPhys.71.1539.
^ Луджиато, Луизиана; Прати, Ф.; Брамбилла, М. (2015). «Глава 28: Модель Луджиато Лефевера». Нелинейные оптические системы . Издательство Кембриджского университета. дои : 10.1017/CBO9781107477254.032. ISBN9781107477254.
^ Кастелли, Ф.; Брамбилла, М.; Гатти, М.; Прати, Ф.; Лугиато, Луизиана (2017). «LLE, формирование паттернов и новый когерентный источник» (PDF) . Европейский физический журнал Д. 71 (4): 84. Бибкод : 2017EPJD...71...84C. doi : 10.1140/epjd/e2017-70754-1. hdl : 2434/502714 . S2CID 126088543.
^ Лугиато, ЛА; Прати, Ф.; Городецкий, МЛ; Киппенберг, Т.Дж. «От LLE к солитонным керровским частотным гребенкам на основе микрорезонаторов». Философские труды Лондонского королевского общества .