Лаборатория квантовой и нелинейной оптики сильно локализованных полей

Научные результаты:

Основные фундаментальные и прикладные результаты достигнуты в трех направления проекта, объединенных целью разработки методов создания сильно локализованных структур поля с помощью принципа когерентного суммирования лазерных пучков и исследования квантовых и классических нелинейных эффектов в системах с сильной локализацией поля, как в случае относительно невысокой интенсивности излучения в волноводных системах, так и в ситуации предельно высокой интенсивности, достаточной для поддержания каскада рождения электрон-позитронных пар в вакууме.

В области исследования когерентного суммирования пучков и синтеза локализованных структур излучения:

1. Предложен ряд новых подходов, позволяющих значительно повысить эффективность когерентного суммирования в схеме мозаично заполненной апертуры. В частности, разработан высокоэффективный метод когерентного суммирования множества оптических излучателей, расположенных в одной плоскости и имеющих невысокий коэффициент заполнения по апертуре (например, излучения от массива плотно упакованных одномодовых оптических волокон). Метод позволяет получить более 98% эффективность когерентного суммирования, недостижимую в известных схемах для данной конфигурации оптических источников. Проведена экспериментальная апробация метода для когерентного суммирования непрерывного излучения в одномерном массиве волоконных световодов. Исследовано когерентное суммирование волоконных лазерных каналов в схеме с мозаично заполненной апертурой для широкополосных и ультракоротких импульсов в режиме противофазного распределения. В схеме на основе 8 независимых волоконных каналов и на основе многосердцевинного волокна с квадратным массивом 5х5 сердцевин продемонстрировано когерентное суммирование ультракоротких импульсов на длине волны 1.03 мкм с сохранением спектральных и временных параметров сигнала, эффективностью более 80%, высокой стабильностью и высоким качеством просуммированного пучка M2=1.3. В численном моделировании показана возможность повышения эффективности до 90%.
2. Предложен и протестирован новый метод преобразования широкополосного и фемтосекундного излучения, формируемого массивом излучателей в схеме мозаично заполненной апертуры в один пучок с прямоугольной формой. Метод основан на использовании противофазного распределения излучателей и простой оптической схемы, которая может быть выполнена исключительно на отражающих элементах, поэтому пригодна для излучения высокой мощности. Метод масштабируем на большое число излучателей.
3. Разработан лазерный стенд для исследования когерентного суммирования пучков излучения в различных конфигурациях. Разработана многоканальная задающая фемтосекундная лазерная система с управляемыми параметрами излучения в каналах. Система позволяет генерировать чирпированные импульсы с центральной длиной волны 1.03 мкм и шириной спектра 10 нм, поддерживающей сжатие импульсов до ~200 фс. В системе реализовано управление параметрами выходного излучения: частотой повторения, формой спектра и временным профилем интенсивности импульса (одновременно во всех каналах), а также фазой сигнала (независимо в каждом канале). Разработана оптоэлектронная схема для детектирования и стабилизации фазы нескольких мощных лазерных пучков относительно одного опорного пучка, обеспечивающая поддержание фазы на уровне l/100 в диапазоне частот до ~1 кГц. Разработаны схемы управления пространственной формой сфокусированного излучения на основе пространственных фазовых модуляторов света. С помощью измерения волоконным зондом продемонстрирована возможность синтеза различных структур поля.
4. Предложен новый метод для быстрого и однозначного восстановления временной формы ультракоротких импульсов на основе оптического стробирования со спектральным разрешением и спектральной интерферометрии в несимметричной конфигурации, свободный от недостатков, присущих известным методам, таким как широко распространенный стандартный метод оптического стробирования со спектральным разрешением (SHG-FROG).
5. Разработан источник солитонных импульсов с перестраиваемой частотой повторения в суб-ТГц диапазоне - перестраиваемых солитонных кристаллов, который может быть использован для повышения средней мощности импульсных лазерных систем.
6. Проведено теоретическое исследование квантовых особенностей свойств излучения, возникающих при учете квантовой природы света при когерентном суммировании лазерных пучков. Найден стандартный квантовый предел шума для излучения, получающегося при когерентном суммировании пучков с системе с обратной связью. Определены фундаментальные ограничения на требуемую точность синхронизации фазы между большим числом входных лазерных пучков в схемах когерентного сложения пучков, накладываемые квантовыми эффектами в системах фазовой стабилизации с обратной связью. Показано, что при определенных условиях когерентное суммирование пучков может быть более предпочтительно, чем лазерное усиление до той же мощности, с точки зрения квантовых шумовых характеристик излучения. В эксперименте продемонстрировано получение излучения, сжатого по амплитудной квадратуре на уровне -3 дБ, с помощью сложения независимо сжатых каналов в ортогональных модах поляризационно-поддерживающего волокна, что до некоторой степени моделирует систему когерентного суммирования нескольких волоконных каналов.

В области исследования предельной фокусировки электромагнитного поля и моделирования квантово-электродинамических каскадов в сильно сфокусированном поле:

1. С помощью численного моделирования исследовано развитие электрон-позитронного каскада в поле лазерных пучков, фокусируемых в форме электро- или магнитодипольных волн, которые позволяют достичь наибольшей величины электрического или магнитного полей при заданной суммарной мощности лазерного излучения. Исследован процесс ухода частиц из фокальной области, где рождение пар происходит наиболее интенсивно. Проведены численные оценки пороговой мощности, при которой уход частиц компенсируется их рождением, а при превышении которой происходит пробой вакуума, аналогичный лавинному пробою в газах, когда концентрация частиц возрастает экспоненциально быстро. В случае электродипольной фокусировки при 12 пучках пороговая мощность составляет примерно 10 ПВт, в то время как в случае 2 пучков – 28 ПВт. С помощью численного моделирования были исследованы плазменные структуры, формируемые в результате развития электрон-позитронного каскада при воздействии лазерными пучками, сфокусированными в форме электродипольной волны, на затравочные мишени. Были исследованы структуры электрон позитронной плазмы в системах с полной мощностью от 30 до 90 ПВт с числом пучков от 3 до 12. На линейной стадии изначально однородное распределение становится модулированным с количеством максимумов равным числу пучков, что объясняется тем, что максимальный рост каскада происходит в точках с максимальной амплитудой. Было показано, что, несмотря на большое разнообразие конфигураций системы с различным числом пучков, нелинейные режимы, наблюдаемые в процессе взаимодействия, соответствуют нелинейным режимам, реализуемым в идеальной дипольной волне: режим формирования слоев и режим пинчевания электрон-позитронной плазмы. Это говорит о том, что описываемые режимы являются реализуемыми в экспериментальных условиях в системах с относительно небольшим числом пучков. Также с помощью численного моделирования было выявлено, что каждому режиму соответствуют определенные зависимости диаграммы направленности генерируемого гамма-излучения от мощности и числа пучков лазерного излучения, фокусируемого в форме дипольной волны.
2. Продемонстрирована устойчивость исследованных режимов взаимодействия сверхмощного излучения с плазмой при развитии квантово-электродинамического каскада относительно малых возмущений полей, что подчеркивает их принципиальную реализуемость в реальных экспериментах. Было показано, что качественно структура полей и динамика развития каскада сохраняется даже при максимальных значениях дефокусировки и дефазировки. Выяснено, что основное влияние на динамику системы имеет дефокусировка отдельных пучков, т.к. в рассматриваемом диапазоне параметров дефазировка имеет значительно меньшее влияние в силу большой длительности лазерных импульсов. При этом наблюдается уменьшение амплитуды поля в центре, что приводит к понижению темпа роста каскада и количества рождающихся частиц, особенно высокоэнергичных. Для волны мощностью 15 ПВт при длительности импульса 30 фс и плотности мишени 10²² см^-3 эффективность конверсии в гамма фотоны падает с 42% (идеальная волна) до 23%. При мощностях больше 20 ПВт режим пинчевания электрон-позитронной плазмы также сохраняется при внесении дефокусировки и дефазировки лазерных пучков, что потенциально позволит исследовать экспериментально и этот режим взаимодействия.
3. Проведена численная оптимизация параметров затравочной мишени в задаче о генерации квантово-электродинамических (КЭД) каскадов в сильно сфокусированном поле ультракоротких сверхмощных импульсов. Для проведения эффективного численного моделирования были решены задачи оптимизации метода частиц в ячейках для учета быстро растущего числа частиц, что позволило достигнуть высокой точности проведенных расчетов. Определены диапазоны плотностей затравочных мишеней, допускающие развитие каскада, в зависимости от их диаметра, а также определено влияние длительности лазерных импульсов и их конфигурации на эти диапазоны плотностей. Также вычислена эффективность преобразования лазерной энергии в энергию фотонов и электрон-позитронных пар, а также число электрон-позитронных пар в зависимости от параметров мишени и лазерных импульсов. В зависимости от этих параметров определены энергетические и угловые распределения генерируемых гамма-фотонов и электрон-позитронных пар.
4. С помощью численного моделирования в рамках разработанной конечно-элементной модели, описывающей процесс фокусировки импульсных сходящихся цилиндрической и сферической (дипольной) волн, показано, что введение нелинейного поглощения 3го, 5го, 7го порядков может уменьшить характерный пространственный масштаб установившихся структур поля по сравнению с фокусировкой в вакууме. Получено, что для нелинейного поглощения 5го и 7го порядков также возможно увеличение масштаба локализации поля при относительно небольших величинах коэффициентов нелинейного поглощения. В рамках рассмотренной задачи о динамике установления стационарного режима показано, что для случая нелинейного поглощения 3-ого порядка в процессе фокусировки характерный масштаб локализации поля монотонно уменьшается до выхода на постоянное значение, а для случаев поглощения 5-ого и 7-ого порядков динамика характерного размера структур в процессе фокусировки импульсного излучения более сложная и может включать в себя несколько последовательных участков монотонности до выхода на установившееся значение.

В области исследования квантовых эффектов в системах с сильной локализацией:

1. Экспериментально продемонстрирована генерация света со сжатием квантовой неопределенности (сжатого света) с помощью эффекта Керра при распространении ультракоротких солитонных импульсов в новой схеме на основе нелинейного волокна. Разработана оригинальная очень надежная схема для генерации поляризационно-сжатого света, основанная на использовании волокна, сохраняющего поляризацию и обладающая высокой стабильностью без систем обратной связи, в отличие от известных волоконных схем.
2. Проведено численное моделирования процесса квантового сжатия, найдены оптимальные параметры схемы. Теоретически показана возможность повышения мощности сжатого света при использовании волокон с большой площадью моды и многосердцевинных волокон, и найдены оптимальные параметры волокна и ультракоротких импульсов для достижения максимального сжатия. Разработан источник солитонных импульсов с перестраиваемой частотой повторения в ГГц диапазоне, который может быть использован для повышения средней мощности сжатого света. Исследованы теоретически и в численном моделировании неклассические свойства оптических солитонов и непрерывных лазерных сигналов в волокнах с керровской нелинейностью на основе кварцевого, теллуритного, сульфидных и селенидных стекол с целью получения квадратурно сжатого света. В оптимальных случаях показана возможность сжатия шумов до уровня значительно сильнее 10 дБ на длинах волн как 1.55 мкм, так и 2 мкм.
3. Проведено теоретическое исследование возможности формирования гауссовых запутанных состояний света при распространении излучения вдоль одномерной решетки связанных одномодовых волноводов, обладающих кубической либо квадратичной нелинейностью. В случае системы с квадратичной нелинейностью пары фотонов в перепутанном состоянии рождаются в процессе спонтанного параметрического рассеяния накачки. Найдено пороговое значение мощности накачки, обусловленного геометрией рассматриваемой задачи, при превышении которого рост среднего числа фотонов меняется с линейного на экспоненциальный. Найдено оптимальное соотношение между коэффициентом связи световодов и амплитудой накачки, соответствующее максимальной запутанности выходного состояния. В системе с кубической нелинейностью показано, что распространение накачки в поперечном направлении существенным образом изменяет эволюцию числа фотонов в сигнальной и холостой модах. Показано, что в отличие от случая квадратичной нелинейности, где формируется ярко выраженная запутанность между парами, расположенными симметрично относительно центра решетки, в случае кубической нелинейности присутствует запутанность между световодами, находящимися на границе распространения излучения накачки.
4. Построена теория излучения фотонов неравновесной открытой квантовой системой в режиме парселловского усиления в субволновой квазидвумерной системе. Найдено оптимальное соотношение между параметром дифракционной связи субволновой планарной электродинамической системы с окружающим пространством и константой уширения межзонного перехода, обеспечивающее максимизацию спонтанного излучения фотонов.
5. Проведено систематическое теоретическое исследование объемных и поверхностных поляритонов в вейлевских полуметаллах с нарушенной симметрией относительно обращения времени. Предложена простая и эффективная теоретическая модель, описывающая электронную структуру с двумя зонами и двумя дираковскими точками с различной хиральностью. Показано, что информация об электронной структуре вейлевских полуметаллов может быть однозначно извлечена из измерений рассеяния, пропускания, отражения и поляризации электромагнитных волн. Найдены плазмоны с необычными свойствами, распространяющиеся в вейлевсих и дираковских системах в квантующем магнитном поле.
6. Показана возможность реализации акустически индуцированной прозрачности фольги нержавеющей стали для фотонов синхротронного мёссбауэровского источника в важном для потенциальных приложений режиме синхронизации моментов формирования фотонов и фазы осцилляции фольги. Показано, что интенсивность однофотонного волнового пакета, прошедшего сквозь фольгу, приобретает регулярную амплитудную модуляцию, которая уменьшается с увеличением частоты осцилляций фольги и уменьшением её оптической толщины. Выяснены механизмы, вызывающие указанную модуляцию. Определены условия эксперимента по наблюдению замедления фотонов с энергией 14.4 кэВ от синхротронного мёссбауэровского источника до 24 м/с в фольге нержавеющей стали, обогащенной нуклидом 57Fe, при комнатной температуре посредством акустически индуцированной прозрачности. Теоретически показана возможность преобразования квазимонохроматического высокоэнергетического излучения с энергией фотонов 14.4 кэВ, испускаемого радиоактивным Мёссбауэровским источником 57Co, в ультракороткие импульсы с наперед заданными спектрально-временными характеристиками в акустически управляемом резонансном ядерном поглотителе, представляющем собой фольгу нержавеющей стали, обогащенную нуклидом 57Fe.
7. Создан универсальный стенд для экспериментального исследования свойств оптических микрорезонаторов. Экспериментально продемонстрирована генерация оптических частотных гребенок в кварцевых микросферах с добротностью ~2•107 в различных режимах, включая хаотические частотные гребенки, рамановские частотные гребенки, гребенки в режиме диссипативного солитона в телекоммуникационном диапазоне, что подтверждено результатами математического моделирования. Проведены экспериментальные исследования линейных и нелинейных свойств теллуритных микросфер. Построена модель, результаты которой верифицированы экспериментально, для описания теплового сдвига резонансных мод шепчущей галереи при термализации энергии накачки. Численно исследованы линейные и нелинейные свойства сплошных и полых теллуритных микросфер, найдены зависимости дисперсии и нелинейности от геометрических параметров и длины волны излучения.
8. Разработаны технологии создания высокодобротных микрорезонаторов на основе мягких стекол. В As2S3 микросфере впервые достигнута широкополосная перестройка одномодовой рамановской генерации в диапазоне 1.610-1.663 мкм за счет перестройки длины волны накачки в диапазоне 1.522-1.574 мкм. Результаты хорошо согласуются с результатами численного моделирования в рамках уравнения Луджиато-Лефевера. В As2S3 микросферах впервые продемонстрировано управление рамановской генерацией в телекоммуникационном диапазоне с помощью внешнего низкокогерентного источника в видимом диапазоне. А именно, исследован режим запуска одномодовой рамановской генерации при накачке на длине волны 1530 нм с использованием вспомогательного лазерного диода на длине волны 650 нм для термооптического управления резонансными частотами мод шепчущей галереи. Экспериментально реализованы и теоретически объяснены различные эффекты, приводящие к преобразованию излучения непрерывной узкополосной накачки за счет нелинейных и лазерных процессов, в теллуритных и кварцевых микросферах. В легированных ионами эрбия теллуритных микросферах экспериментально продемонстрирована многомодовая лазерная генерация в L-диапазоне на центральной длине волны 1605 нм, стартующая при включении in-band накачки на различных фиксированных длинах волн при значительном превышении пороговой мощности. Теоретически и экспериментально исследованы стационарные и динамические зависимости термооптических сдвигов резонансных (собственных) частот микросфер от мощности термализованного излучения накачки. Показано, что температурная чувствительность практически не зависит от диаметра микросферы, а время релаксации пропорционально квадрату диаметра, что может использоваться для создания термооптических микросенсоров.

Внедрение результатов исследования:

Технологии и продукты, основанные на научных результатах лаборатории, находятся в стадии разработки. Разрабатывается лазер на длине волны 2.3 мкм на теллуритных волокнах для научных и био-медицинских применений. Разрабатывается технология генерации оптических гребенок в микрорезонаторах для телекоммуникационных приложений и оптических вычислений.

Образование и переподготовка кадров:

• Защиты: 3 кандидатских диссертации, 2 докторских диссертации.

• Два аспиранта прошли одну краткосрочную и одну длительную стажировки по направлениям «Squeezing the quantum noise of short pulses of light» и «Quantum properties of optical solitons in nonliner fibers» в Max Planck Institute for the Science of Light под руководством Герхарда Лойхса. Два аспиранта прошли курс повышения квалификации «Квантовые оптические технологии коммуникаций» на базе ИТМО. Четыре аспиранта и студент прошли дистанционный курс повышения квалификации «Optical frequency combs for classical and quantum communication systems» на базе Института телекоммуникаций Рижского технического университета.

• Члены научного коллектива разработали и внедрили новые образовательные курсы для студентов Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского по тематике исследований лаборатории, а именно: «Измерение ультракоротких оптических импульсов» и «Нелинейное распространение фемтосекундных импульсов в волоконно-оптическом световоде» (циклы учебно-научных экспериментальных работ, 10 часов, дополнение к программе курса «Учебно-научный эксперимент»), лекции «Волоконные лазеры ультракоротких оптических импульсов», «Волоконная квантовая оптика», «Что такое нелинейная оптика» (в виде дополнений к программе курса «Основы научного общения»); курс лекций «Нелинейные волны в оптике» (22 часа), дистанционный курс лекций «Нелинейные и квантовые эффекты в оптических волокнах и микрорезонаторах» (18 часов) для студентов и аспирантов. Разработаны учебно-методические пособия: «Дисперсионные и нелинейные свойства сферических микрорезонаторов на основе различных стекол: учебно-методическое пособие»; «Сборник индивидуальных заданий по физике. Термодинамика и молекулярная физика. Часть III.». Сотрудники лаборатории участвовали в организации семинаров для молодых ученых в рамках научных школ «Нелинейные волны-2020» и «Нелинейные волны-2022».

Сотрудничество:

• Институт химии высокочистых веществ им. Г. Г. Девятых Российской академии наук: совместные работы и публикации, участие в совместных грантах.

• Max Planck Institute for the Science of Light (Германия): совместные работы, организация стажировок аспирантов - совместные публикации.

• Sant Longowal Institute of Engineering and Technology (Индия): научные визиты сотрудников, получен и выполнен совместный грант, подписан меморандум о сотрудничестве, подготовлены и опубликованы совместные статьи.
  

• Sant Longowal Institute of Engg. & Technology; Punjabi University; University of Lucknow (Индия): научные визиты сотрудников, совместные работы, получен и выполнен совместный грант, подготовлены и опубликованы совместные статьи.

• Institute of Telecommunications of the Riga Technical University (Латвия): научные визиты сотрудников, совместные работы и публикации, организация дистанционных стажировок студентов и аспирантов, разработка курсов лекций, подписан меморандум о сотрудничестве (Memorandum of Understanding, MoU).

• University of Queensland (Австралия): совместные работы, подготовлены и опубликованы совместные статьи.

• Texas A&M University (США): научные визиты, совместные работы, подготовлены и опубликованы совместные статьи.

• University of Gothenburg (Швеция): совместные работы, подготовлены и опубликованы совместные статьи.