автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Источники когерентного инфракрасного излучения для спектроскопии высокого разрешения

На правах рукописи 1

Колкер Дмитрий Борисович ИСТОЧНИКИ КОГЕРЕНТНОГО ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ СПЕКТРОСКОПИИ ВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ

Специальность 05.11.07: оптические и оптико-электронные приборы и комплексы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

" 3 ДЕК 2009

Новосибирск- 2009

003487045

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Новосибирский государственный технический университет»

Научный консультант: доктор физико-математических наук, профессор Александр Капитонов!« Дмитриев

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор

Шишаев Анатолий Викторович

доктор физико-математических наук Андреев Юрий Михайлович

доктор технических наук, профессор Поллер Борис Викторович

Ведущая организация: Институт оптики атмосферы СО РАН (г.Томск)

Защита диссертации состоится "22" декабря 2009 года в 14-00 на заседании диссертационного совета Д212.173.08 в Новосибирском Государственном Техническом Университете (630092 г. Новосибирск, пр-т Карла Маркса 20)

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Новосибирского Государственного технического университета

Автореферат разослан "10" ноября 2009 г

Ученый секретарь диссертационного совета к. т. н., доцент

В.Л.Полубннский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

В настоящее время большой интерес представляет создание универсальных когерентных источников инфракрасного излучения. Несмотря на то, что в [1] сообщается о лазерной генерации в области 5 мкм при комнатной температуре, диапазон перестройки непрерывных коммерческих твердотельных лазеров в инфракрасной области ограничивается 3 мкм. Такими источниками когерентного инфракрасного излучения являются Ег3+- лазеры и перестраиваемые Сг2+ лазеры [1]. Основными недостатками твердотельных лазеров является ограниченное количество линий генерации в ИК диапазоне, а также малое количество активных сред, ряд из которых могут использоваться только при криогенных температурах. Основной сложностью при создании новых инфракрасных источников является не только поиск подходящих лазерных переходов с достаточным временем жизни верхнего состояния, но и наличие экзотического лазера накачки.

Спектральный диапазон свыше 3 мкм в среднем ИК-диапазоне может быть непрерывно перекрыт при помощи параметрических генераторов света (ПГС) с накачкой мощным одночастотным лазером в ближнем ИК-диапазоне. Использование оксидных кристаллов в качестве нелинейной среды параметрического генератора света при накачке Ш:УАО лазером позволило перекрыть диапазон от ближнего ИК-диапазона до 4 мкм, дальнейшее увеличение диапазона перестройки этих устройств ограничивается поглощением в среднем ИК-диапазоне [2].

Генерация фемтосекундных и пикосекундных импульсов позволяет достигнуть рекордных значений пиковой интенсивности. Тем не менее, сложно одновременно ожидать высоких выходных энергий ПГС в сочетании с оптимальной эффективностью преобразования из-за ограничений, связанных со спектральной зависимостью, а также с дисперсией высоких порядков.

Наносекундные параметрические генераторы обладают наилучшим потенциалом для достижения оптимального компромисса между высокими выходными энергиями и энергией одиночного импульса. Такие устройства, которые накачивались лазером в области 1 мкм, были продемонстрированы. Параметрическая генерация наблюдалась только на пяти из четырнадцати элементов, представленных в [2]: А§3Аз8з [3-5], А^Оа82 [6-9], Н£Оа284 [10], 1л1п8е2 [11], и твердом растворе Сс1х^ Ьх Са284 [12]. Параметрическая генерация на длинах волн превышающих 4.4.мкм была продемонстрирована на кристалле тиагаллата серебра от 3.9 до 11.3 мкм [8,9]. В работах [13-15] сообщается об использовании традиционных ПГС для спектроскопических задач, в [16] представлены результаты спектроскопических исследований анализа выдыхаемых пациентами соединений при помощи экспериментальной установки на основе перестраиваемого ПГС для ранней диагностики онкологических заболеваний.

Создание фемтосекундных лазеров с широкой линией излучения больше оптической октавы привело к реализации сличений стандартов частоты от радио- до оптических диапазонов с погрешностью определяемой воспроизводимостью стандартов [17-21]. Исследования показали, что межмодовая частота лазеров с самосинхронизацией мод может быть стабилизирована при синхронизации частотой внешнего высокостабильного генератора [19]. Использование ПГС в вырожденном режиме (оптических делителей частоты), генерирующих несколько частотных эквидистантных маркеров, разнесенных на несколько оптических октав, в комбинации с фемтосекундным оптическим синтезатором позволяет перекрыть диапазон частот от УФ- до среднего ИК-диапазона. В [37] сообщается о создании трехрезонаторного параметрического осциллятора на основе двухсекционного кристалла из ниобата лития, который накачивался МОРА системой в области 812 нм. Другой эксперимент [36], в котором также использовался РРЬЫ кристалл с накачкой 500 мВт лазером в области 532 нм, позволял осуществить деление частоты на 3. В этом эксперименте использовались два каскадных

4

преобразования генерации разностной частоты. При этом для осуществления операции 3:2 требовалось два входных сигнала. Однако диапазон самосинхронизации фазы в [36, 37] был экстремально мал для осуществления стабильной работы этих устройств и их практического применения. В ряде работ отмечается возможность использования ПГС-ССФ для генерации сжатых состояний света [26-36] и ярких запутанных состояний света [37-40].

В традиционном, невырожденном ПГС разность фаз сигнальной и холостой волн являются случайными величинами, которые возникают из-за стохастического процесса, происходящего от спонтанного параметрического шума флюоресценции. В ПГС с самосинхронизацией фазы (ПГС-ССФ) разность фаз между сигнальной и холостой волнами остается величиной постоянной, что позволяет использовать эти устройства в метрологических задачах. Работы по созданию ПГС-ССФ велись на протяжении многих лет в лабораториях России, Германии, Франции, Нидерландов и США, тем не менее, до начала работы над данной диссертацией таких источников когерентного инфракрасного излучения не существовало.

Цель работы

Целью диссертационной работы является разработка источников когерентного инфракрасного излучения для задач фундаментальной метрологии, спектроскопии высокого разрешения и абсолютного измерения оптических частот от ультрафиолетового до среднего ИК-диапазона с относительной точностью до 10"12.

Достижение цели потребовало решения следующих задач:

- разработки и создания экспериментальной установки для измерения оптических частот с относительной точностью не хуже 10'12 - 10"13 в широком спектральном диапазоне от ультрафиолетового до ИК-диапазона на основе фемтосекундного лазера с/-2/интерферометром.

- проведения экспериментальных исследований новых современных преобразователей частот на основе структур с компенсацией угла сноса. Данные структуры предназначены для использования в схемах синтеза и абсолютного измерения оптических частот.

- измерение эффективности преобразования в этих структурах по сравнению с монолитными образцами. Экспериментальное исследование неконтролируемого эффекта влияния передаточной функции нелинейного двулучепреломляющего фильтра и проверка теории сфокусированных пучков для структур с компенсацией угла сноса.

- создания и исследования прецизионных оптических делителей частот (ПГС-ССФ) на основе кристаллов из периодически поляризованных структур ниобата лития с составной геометрией нелинейного элемента. Исследование области устойчивости и возможности пассивного механизма фазового захвата, не требующего активных систем фазовой привязки.

-экспериментального исследования зависимости диапазона фазового самозахвата от различных факторов - температуры, длины волны накачки ПГС и мощности накачки.

-экспериментального подтверждения генерации Хопф нестабильностей в ПГС ССФ в различной конфигурации оптического резонатора.

- исследования каскадных режимов генерации в ПГС с составной геометрией нелинейного элемента. Исследование пятичастотного режима осцилляции в параметрических генераторах с составной геометрией нелинейного элемента.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Кристаллические структуры с компенсацией угла сноса являются дополнением к классическим периодически-поляризованным структурам для преобразования оптических частот в среднем ИК диапазоне.

6

2. При отстройке частоты ПГС-ССФ от точки деления на 3 на величину кратную межмодовому интервалу ПГС в трехрезонаторном ПГС наблюдается мультикаскадный режим с генерацией боковых частот (аналог фемтосекундного комба в среднем ИК).

3. Диагностикой режима 3:2:1 в двухрезонаторном ПГС-ССФ является вырождение "вложенного пятичастотного " ПГС.

4. Физические особенности самосинхронизации фазы в двухрезонаторном и трехрезонаторном параметрическом генераторе не отличаются. При сканировании резонатора ПГС вблизи точки деления частоты на 3 возникает провал интенсивности и уширение собственной моды резонатора ПГС. Хопф - нестабильности возникают при превышении над порогом в N=20 для двухрезонаторного ПГС. Для трехрезонаторного ПГС данный эффект наблюдался при N = 4.

5. Использование ПГС с самосинхронизацией фазы, в комбинации с фемтосекундным лазером позволяют выполнить абсолютные измерения оптических частот в широком спектре от УФ- до среднего ИК-диапазона

6. Измеренная при помощи созданного фемтосекундного синтезатора частота перехода s2 'S0~ 5s5p 3Ро в атоме 87Sr составляет:

v (5s21 S0- 5s5p 3Р0) = 429 228 004 235 ± 20 кГц

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

1. Впервые измерены частоты переходов атома стронция при помощи фемтосекундного синтезатора с относительной точностью 10'".

2. Экспериментально показано, что эффективность преобразования во вторую гармонику в 10 секционном OCWOC - кристалле с компенсацией угла сноса по сравнению с монолитным кристаллом увеличивается до 10 раз.

3. Создан параметрический осциллятор с делением частоты на 3 в двухрезонаторной и трехрезонаторной конфигурации. В качестве нелинейного элемента применялась периодически-поляризованная структура из ниобата лития с составной геометрией.

4. Теоретически обосновано и экспериментально показано, что в ПГС-ССФ может быть использован пассивный механизм стабилизации частоты, которые не требуют электронных систем фазового захвата.

5. Показано наличие двух режимов работы ПГС-ССФ:

1) Одночастотного режима при делении частоты на 3.

2) Многочастотного режима работы ПГС с возможностью генерации боковых частот.

При наличии оптики с компенсацией дисперсии возможно получение пассивной синхронизации мод в ПГС-ССФ в ближнем и среднем РЖ-диапазоне.

6. Теоретически обоснован и экспериментально получен пятичастотный режим генерации в двухрезонаторном параметрическом осцилляторе.

7. Теоретически обосновано и экспериментально показано, что в пятичастотном параметрическом осцилляторе диапазон перестройки между вторичной сигнальной и вторичной холостой частотами достигает 200 нм.

Научная и практическая значимость результатов

Кристаллические структуры с компенсацией угла сноса являются дополнением классическим РРЬЫ и РРКТР для преобразования из видимого и ближнего ИК-диапазона в ИК-диапазон, а также из видимого в УФ диапазон.

В ПГС с самосинхронизацией фазы (ПГС-ССФ) возможен пассивный механизм фазового захвата, который не требует специальных электронных устройств фазовой привязки.

ПГС с самосинхронизацией фазы, в которых используется принцип конкуренции двух нелинейностей х(1):Х(2), в комбинации с фемтосекундным лазером дают возможность для абсолютного измерения оптических частот в среднем ИК-диапазоне. Провал интенсивности на сигнальной и холостой частотах облегчает диагностику эффекта фазового самозахвата в ПГС-ССФ. Уширение собственной моды резонатора ПГС-ССФ приводит к выгодному увеличению полосы пропускания для системы фазовой привязки.

Делитель частоты на 3 на основе ПГС-ССФ с накачкой второй гармоникой №:УАО лазера, стабилизированного по резонансу насыщенного поглощения молекулярного йода в области 532 нм, позволяет осуществлять синхронизацию частот Тк5а и Сг: Рг фемтосекундных лазеров.

Каскадный режим генерации ПГС открывает возможности для создания непрерывных пятичастотных оптических параметрических осцилляторов с любыми комбинациями частот, которые могут быть заданы величиной периода А1 и Л2 соответствующей секции в периодически поляризованной структуре из ниобата лития или КТР. При этом специальная разветвленная конфигурация в структуре нелинейного элемента позволяет перестраивать вторичный ПГС в широком диапазоне, достигающем нескольких сотен нанометров. При этом частоты первичного ПГС не изменяются, поскольку величина периода в ПГС секции не зависит от координаты У.

Генерация п стабильных фазовых состояний, эквидистантно разнесенных на величину 2 я/и с одинаковой интенсивностью, предоставляет возможность для кодирования информации в координатах интенсивность-фаза применительно к квантово-информационным задачам.

ПГС-ССФ может быть потенциальным источником для генерации сжатых состояний света и ярких запутанных состояний света.

Измерены частоты перехода атома стронция с относительной точностью

Апробация работы. Результаты, изложенные в диссертации, представлены на Международных и всероссийских конференциях: LM 2002, Novosibirsk, (2002),Workshop on Atom Optics and Interferometry 2002 (Lunteren, Holland), XI Conference on Laser Optics, St. Petersburg, Russia (2003), CLE02003 (USA, Baltimore), Laser Optic 2003 (St. Petersburg, Russia), 17th European Frequency and Time Forum and 2003 IEEE, International Frequency Control Symposium (Tampa, USA), Second Workshop on Cold Alkaline-Earth Atoms 2003 (Copenhagen, Denmark), CPEM 2004 (London), MPLP2004 (Novosibirsk, Russia), CLEO-Europe 2005 (Munich, Germany), CLE02006 (USA), ICON02007 (Минск, Беларусь), AMPL2007 (Томск, Россия), АПЭП 2008.

Результаты, изложенные в диссертации, доложены на семинарах Института лазерной физики СО РАН, Новосибирского Государственного Технического Университета, Института Оптики атмосферы СО РАН (г.Томск), Парижской обсерватории (BNM-SYRTE), Института Национальной метрологии Франции (INM-LNE-CNAM), Массачусетского Технологического Института (RLE-MIT, США), Пизанского университета (Италия), Института Макса Борна (Германия).

Основные результаты, полученные в диссертации, опубликованы в 39 работах, 11 работ опубликованы в ведущих рецензируемых журналах, входящих в утвержденный ВАК перечень научных изданий [1-6, 8, 12-14, 15]. Часть основных результатов отражена в 4 работах в рецензируемых журналах и изданиях [7, 9-11], а также в 24 трудах международных конференций [16-39]. 22 работы из 39 работ по теме диссертации цитируются международной базой данных Scopus.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и двух приложений. Общий объем - 307 страниц, в том числе 293

страниц основного текста с 124 рисунками, 2 приложений и списка литературы.

В первой главе диссертации описан вторичный стандарт частоты для калибровки лазерного спектрометра в Appleton Laboratory (Великобритания) на котором производились эксперименты по абсолютному измерению частоты перехода 1S-2S в мюонии.

Мюоний представляет собой простейшую квантовую систему - связанное состояние положительного мюона и электрона. При КЭД- расчетах для мюония отсутствуют проблема адронной структуры ядра, существенная для водорода, и трудности релятивистского расчета, характерные для позитрония. Поэтому исследования, которые проводились совместно с Оксфордским университетом, университетом Гейдельберга, Институтом лазерной физики СО РАН и Appleton Laboratory (Великобритания) проводились с измерением частоты перехода 1S-2S в мюонии. Это позволило исключить сложности связанные с внутренней структурой ядра, поскольку лептоны являются бесструктурными точечными частицами. Очевидно, что данные экзотические атомы нестабильны из-за неизбежной аннигиляции электрона и позитрона или распада мюония. Максимально достижимое спектральное разрешение при этом возможно порядка 10"9, но даже эта точность представляет интерес для сравнения теоретических и экспериментальных результатов.

Для точной настройки частоты лазера на линию двухфотонного поглощения мюония, а также для прецизионного измерения частоты 1S-2S перехода необходимо иметь стандарт частоты в области генерации Ti-сапфирового лазера. Эксперименты с мюонием обычно проводятся на ускорителе, а следовательно, ограничены во времени и требуют повышенной надежности измерительных систем. Поэтому, чтобы не усложнять процесс измерения частоты, необходимо, чтобы частоты стандарта отличались между собой не более, чем на 1 ГГц. Данное требование существенно уменьшает вероятность нахождения подходящего репера. Репер, удовлетворяющий этим требованиям, был найден в парах молекулярного йода при температуре 600°С

11

в области 732 нм. Поиск производился при помощи созданного в Институте лазерной физики СО РАН, спектрометра на базе перестраиваемого Ti:Sa лазера.

В эксперименте по прецизионной лазерной спектроскопии мюония измеряется частота 1S-2S перехода с использованием метода двухфотонного резонанса, предложенного Чеботаевым и др. в [17-19]. Излучение с длиной волны 244 нм, необходимое для наблюдения двухфотонного резонанса на переходе 1S-2S, создается за счет утроения частоты импульсного александритового лазера, генерирующего в области 732 нм. Александритовый лазер синхронизуется по частоте с помощью непрерывного стабильного Ti:Sa лазера. Для точной настройки частоты лазерного спектрометра на линию двухфотонного поглощения мюония, а также для точного измерения частоты 1S-2S перехода необходим вторичный стандарт частоты в области генерации Ti:Sa лазера.

Одной из проблем при создании вторичного стандарта частоты является исследование спектров поглощения в различных средах и выбор частотного репера.

Другая серьезная проблема - это измерение абсолютного значения частоты выбранного репера, а также исследование влияния различных факторов на сдвиги частоты репера.

В основе абсолютного измерения оптических частот лежит сравнение измеряемой частоты с частотой стандарта либо с частотой, синтезированной из частоты стандарта и, следовательно, известной с точностью стандарта. Синтез частот осуществляется посредством умножения частоты, т. е. за счет генерации высших гармоник и их выделения. При синтезе используются также операции сложения, вычитания и деления частот.

Одной из серьезных проблем при измерении оптических частот является проблема измерения частотного интервала, разделяющего синтезированную частоту от измеряемой. Чем больше размер интервала, который может быть измерен, тем менее жесткие требования предъявляются к точности синтеза частот и тем проще может быть схема синтеза.

12

В первой главе диссертации решаются такие задачи как построение схемы синтеза и измерения, создание генератора разностной частоты на основе нелинейного оптического кристалла. Описывается создание вторичных опорных стандартов частоты. Представлены схемы спектрометров линейного и насыщенного поглощения на базе перестраиваемого ТкБа лазера. Приводятся результаты по исследованию сдвигов частоты репера от давления в ячейке.

В качестве частотного репера нами был выбран компонент сверхтонкой структуры линии 1^(26)5-13 молекулярного 127Г2 в области 732 нм, который может воспроизводить значение частоты в требуемом диапазоне с высокой точностью (10"'°- 10'") .

Обсуждается оригинальная методика измерения сдвигов частоты от давления в ячейке. Рассматриваются различные варианты схем синтеза и измерения оптической частоты (в области 732 нм) и обосновывается выбор схемы, которая основана на двух вторичных стандартах частоты -полупроводниковом лазере, стабилизированном по резонансу насыщенного поглощения в ШЭ и С02 стандартах в области 794.5 нм и 9.33 мкм. Подробно описаны все элементы схемы. Представлены результаты абсолютного измерения оптической частоты найденного репера.

Во второй главе диссертации обсуждаются методы измерения оптических частот при помощи синхронизованных мод ТкЯа лазера и представлены результаты экспериментов с "Л: 8а фемтосекундным лазером, которые получены при участии соискателя в Институте Лазерной физики СО РАН. Представлена схема синтеза оптических частот в области 88 ТГц для фемтосекундных оптических часов. Экспериментальная установка была разработана и изготовлена под руководством соискателя в рамках молодежного проекта СО РАН (руководитель проекта Д.Б.Колкер в 2002 году за достигнутые результаты, был отмечен Президиумом СО РАН юбилейной медалью академика Лаврентьева). Работы по использованию фемтосекундных лазеров в метрологических задачах были продолжены совместно с ЬМ>БУК.ТЕ (Парижская обсерватория). Во второй главе также описаны результаты

13

совместных экспериментов с французской лабораторией LNE-SYRTE по измерению частот переходов в атоме стронция. Создана универсальная экспериментальная установка на основе фемтосекундного лазера с f-2f интерферометром. Установка предназначена для прецизионного измерения оптических частот в широком оптическом диапазоне от 400 нм до 1100 нм. Представлены результаты измерений частот переходов в молекулярном йоде и атоме стронция.

Третья глава диссертации посвящена исследованию характеристик нелинейных преобразователей частоты на основе периодических структур с компенсацией угла сноса. Изобретение в XX веке периодически-поляризованных структур на основе сегнетоэлектриков позволило на порядок увеличить эффективность преобразования во вторую гармонику, при генерации разностной и суммарной частот, а также увеличить выходную мощность преобразованного излучения при создании параметрических генераторов света. Тем не менее, в среднем ИК-диапазоне эти методы уже не работают, т.к. диапазон прозрачности коммерческих кристаллов для периодически-поляризованных структур ограничен 4.5 мкм.

Многие метрологические и спектроскопические задачи требуют

увеличения диапазона пропускания нелинейных элементов до 10-20 мкм, но

использование монолитных кристаллов, таких как тиагаллат серебра, прустит,

ZnGeP2 и т.д. связано с ограничением эффективности преобразования из-за

влияния угла сноса. Дополнением периодическим структурам в ИК-диапазоне

выступают кристаллические структуры с компенсацией угла сноса (2N-

OCWOC структуры), в которых на оптическом контакте изготовлены

специальные конфигурации из пластинок нелинейного кристалла. Знак

эффективной нелинейности периодически изменяется от пластинки, к

пластинке приводя к компенсации угла сноса. При этом эффективности

преобразования во вторую гармонику в таких структурах может увеличиваться.

Все исследования проводились на тестовых структурах из традиционного

материала KTiPCU, изготовленных французской фирмой Crystal Technology, но

14

все наблюдаемые эффекты имеют место и в других материалах, в том числе и ИК-материалах. Эксперименты проводились на базе Французской лаборатории LNE-SYRTE (Observatoire de Paris).

В работе [45] теоретически исследовались перестроечные характеристики и эффективность преобразования новых периодических устройств на основе 2N структур из тонких пластинок на оптическом контакте при критическом фазовом синхронизме в конфигурации компенсации угла сноса (WOC). Было показано теоретически, что периодическое изменение знака эффективной нелинейности от пластинки к пластинке приводит к увеличению эффективности преобразования при критическом фазовом синхронизме в сравнении с традиционными монолитными кристаллами длиной Lc. При этом может наблюдаться улучшение профиля пучка при жесткой фокусировке при I-типе взаимодействия ГВГ. Было обнаружено, что на фоне 10-кратного увеличения эффективности преобразования во вторую гармонику в 2N-OCWOC структурах возникает неконтролируемый эффект влияния передаточной функции нелинейного двулучепреломляющего фильтра. Признаком фильтрующего эффекта является модуляция интенсивности второй гармоники при перестройке длины волны накачки. Этот эффект был предсказан ранее в теоретических работах французского теоретика Ж.Ж.Зонди [45], в которых использовались приближения плоских волн при расчете многоэлементных WOC конфигураций, и рассматривалась зависимость от sinc2(0/2iV) функции на перестроечных кривых, где Ф = AfcLc/2 - полный угол несоответствия фазы [46,47]. В работе [45] было показано, что периодические структуры характеризуются периодическим волновым вектором ошибки (+Ак,—Ак,+Ак,~Ак, ...), при этом полоса пропускания перестроечной структуры будет уширена по сравнению с полосой для одиночного элемента. При этом увеличение количества пластинок до 2N будет изменять полосу пропускания WOC системы. В работе [45] было показано, что не sine2 (Ф/IN) функция, а функция пакета будет влиять на передаточную функцию FN.

Эффективность преобразования и перестроечные характеристики 10-OCWOC и 4-OCWOC КТР структур были экспериментально исследованы. При этом эксперимент полностью подтвердил теоретические предположения о том, что эти структуры работают как нелинейный двулучепреломляющий фильтр. Экспериментально исследованная функция передачи нелинейного двулучепреломляющего фильтра соответствует теории идеальных 2N-OCWOC структур [45].

2М-ОС\УОС структуры могут быть использованы для увеличения эффективности преобразования при критическом синхронизме в различных нелинейных материалах. Однако, для плоскопараллельных пучков никакого улучшения эффективности преобразования не наблюдается.

Данные исследования показали, что в 2М-ОС^ТОС структурах наблюдается увеличение эффективности преобразования до 10 раз по сравнению с монолитным эквивалентным образцом. Эти результаты были получены только при оптимальной фокусировке.

Четвертая глава диссертации посвящена теоретическому исследованию прецизионных делителей частоты, использование которых в комбинации с фемтосекундным лазером позволит значительно расширить область применения прямых измерений оптических частот от видимого до среднего ИК-диапазона.

Прецизионные делители частоты 3+1 относятся к новому классу нелинейных преобразователей оптических частот. Динамика делителя частоты определяется двумя процессами, происходящими в резонаторе ПГС. Первый процесс это параметрическая генерация, при которой в ПГС секции проиходит

распад фотона накачки *оро' Зи,2й),ш' На два фотона - сигнального (о>1 = 2ш) и холостого (со,- = со ). В ГВГ - секции происходит удвоение частоты холостой волны 2га,£сли С00хношение частот при этом составляет 3:2:1, то

наблюдается самоинжекция удвоенной холостой и сигнальной волны в резонаторе ПГС.

На рис 1 представлена диаграмма двух возможных процессов, которые могут наблюдаться в системе с конкуренцией двух нелинейностей. Случай (а): осцилляции вблизи точки деления на 3. В этом случае осцилляции имеют место при соотношении частот, (ш5ау,ш"") = (2о-Е,га + £) и деление осуществляется при е = о или Е<дш|оск, где Дш,оскдиапазон фазового самозахвата. При параметрических осцилляциях возможна дополнительная нелинейная зависимость фазы, которая обусловлена каскадной нелинейностью хоро : Хэно •

(а)

(б)

7Р)

А гНБ

ю+5 ю-25 <а+45 к_

Рис 1: Диаграмма, показывающая два нелинейных процесса в ПГС-ССФ.

Т Т Т (°С)

ОРО вне 4 '

Рис 2. Определение параметра фазовой расстройки При заданной конфигурации кристаллической структуры РРЬЫ процессы ПГС и ГВГ оптимальны при разных температурах. Температурная ширина синхронизма для ГВГ секции в 5 раз больше чем для ПГС секции

Случай (б) - многомодовые осцилляции, которые могут возникать при отстройке частоты (2со - 8, со + 5). При прохождении через ГВГ секцию может возбуждаться большое количество дополнительных сигнальных и холостых мод. При этом, если Л&>с^ = 2яс/Лор, |3с)| = пАа>ст

то возможна моногомодовая генерация оптических частот в резонаторе ПГС,

как показано на рис. 1 б.

В пятой главе представлены экспериментальные результаты

исследования трехрезонаторного параметрического осциллятора с

самосинхронизацией фазы с накачкой МОРА системой в области 842-845 нм.

18

Нелинейный элемент ПГС-ССФ представляет собой периодически поляризованную структуру из ниобата лития с составной геометрией (рис 3) размером 11x0.5x30 mm3 (апертура11 x0.5mm2). Кристалл состоит из 8 дорожек, но только 6 дорожек из них могут быть использованы для реализации ПГС-ССФ. На крайних дорожках реализуется только традиционный ПГС, поскольку для них длина ГВГ-секции равна нулю. Таким образом, переместив PPLN чип на крайнюю дорожку, мы имеем возможность сравнения динамики ПГС-ССФ и традиционного ПГС. Длина ПГС-секции кристалла составляет ¿1=20 мм.

ГВГ-секция состоит из шести дорожек различной длины, дорожки 1-3 имеют величину периода L|=34.8 мкм и отличаются по длине в 3 раза. Такая конфигурация чипа позволила изучить влияние величины параметра нелинейной связи S на динамику ПГС-ССФ.

Оптический резонатор ПГС образован двумя менисками из ZnSe с радиусом кривизны R=50 мм. Зеркала установлены на расстоянии 11 см, причем, именно при этом расстоянии резонатор оказался квазисферическим. При эффективной длине резонатора Лор[/2 ~ 100 мм диаметр перетяжки составлял и>р=70цт при фокусном расстоянии согласующей линзы между лазером накачки и резонатором 150 мм. Излучение выводилось из резонатора через CaF2 пластинку

Кластер трехрезонаторного ПГС наблюдался на положительной стороне

(^ > 0) приложенного пилообразного напряжения, во избежание уширения всвязи с оптотермической самостабилизацией оптического пути на негативной стороне, который будет затруднять экспериментальное наблюдение провала интенсивности. Кластеры накачки, сигнальной, холостой и резонансы пропускания конфокального Фабри-Перо интерферометра синхронно записывались на цифровом осциллографе. На рис 4 представлен кластер трехрезонаторного ПГС. Провал интенсивности возникал при температуре кристалла 135°С

Рис 3. Конфигурация нелинейного элемента.

При тонкой подстройке температуры позиция провала перемещалась относительно центра кластера. Если температура PPLN кристалла изменялась, более чем на 0.1°С, то провал исчезал. Провал интенсивности не наблюдался, когда позиция кристалла соответствовала крайней дорожке при S=0.

При прохождении точки 3:2:1 форма кластеров изменяется, и возникают особенности: на рисунке 4 виден явный провал интенсивности и уширение собственной моды резонатора. В то время как последовательные перескоки пар мод (сигнальной и холостой) возникают при изменении длины резонатора на 1 нм [48], частота для ССФ моды не изменяется при изменении длины резонатора на 45 нм и интенсивность накачки остается на прежнем уровне. Калибровка диапазона фазового самозахвата производилась при сравнении ширины резонансов на конфокальном интерферометре Фабри-Перо при регистрации ССФ мод и не ССФ мод (ширина 1 МГц). При выключении сканирования TRO может стабильно находиться в состоянии фазового самозахвата в течение нескольких минут без электронных систем фазовой привязки.

В пятой главе представлены два режима работы ПГС-ССФ. Экспериментальные результаты анализа спектра пропускания конфокального Фабри-Перо интерферометра (рис 5) и тонкого эталона Фабри-Перо, (рис 6)

доказывают наличие двух режимов работы ПГС-ССФ. В случае деления

Рис 4. Самосинхронизация фазы: провал интенсивности и уширение собственной моды резонатора

частоты на 3 ПГС работает в одночастотном режиме, при отстройке частоты от точки 3:1 наблюдается многочастотный режим (рис 5, рис 6).

При настройке частот ПГС в соотношении (Зсо, 2со-5, ш+6) где 8«ю, разность частот между сигнальной волной и удвоенной холостой будет равна 38. Когда удвоенная холостая частота не согласована с одной из мод резонатора, то мы имеем дело с традиционным ПГС. Но если параметрический генератор настроен таким образом, что 35 = Р8Я5^с/А, то удвоенная холостая частота способствует образованию новой моды с частотой (2со+ 28, со-28) и т.д.

-0,0002 0,0000 0,0002 0,0004 0,0000 0,0008 0.0010

Время, мсек!

Рис 5. Анализ двух режимов при помощи конфокального интерферометра Фабри-Перо

о

g »1 5

FSR—150 ГТц«;

Мультикаскадный*" режиму

J —

5 «

о

t

ОдночастотныПс режим-3:2:1 г

Время, мсек1

I

Рис б. Анализ двух режимов работы ПГС-ССФ (многомодового и 3:1) при

помощи короткого Фабри-Перо: FSR = 150 GHz, F = 4000. а)

Мультикаскадный режим, б) Режим деления частоты на 3

22

Полоса параметрического усиления ПГС составляет обычно несколько ТГц (в случае некритичного синхронизма), при этом эквидистантно расположенные моды с интервалом 38 могут наблюдаться, поскольку уровень накачки будет достаточным

Такие комплексные системы открывают возможность для создания ПГС с с пассивным механизмом синхронизации мод (в диапазоне прозрачности РРОЧ и РРКХР). На выходе ПГС с синхронизацией мод обнаруживаются последовательности импульсов с частотой следования равной РБЯ резонатора ПГС при условии, что относительная фаза между близлежащими модами зафиксирована, и дисперсия групповой скорости скомпенсирована.

В шестой главе представлены экспериментальные результаты исследования двухрезонаторного параметрического осциллятора с самосинхронизацией фазы с накачкой второй гармоникой Ш:УАО лазера в области 532 нм.

Для создания двухрезонаторного ПГС-ССФ была выбрана нетрадиционная конфигурация, в которой величина периода в ГВГ секции не является постоянной. При дизайне нелинейного элемента с составной конфигурацией необходимо быть уверенным в том, что два процесса фазового синхронизма хорошо согласованы при одинаковой температуре. Однако сложно предусмотреть,каким образом можно согласовать размеры периодов ПГС и ГВГ секций, исходя из эмпирических уравнений Солмейера. При изготовлении структуры невозможно избежать технологической ошибки, которая может составлять 0.05 А для каждого периода РРЬЫ структуры.

Методика, которая использовалась при дизайне нелинейного элемента, заключается в том, что данная секция РРЬЫ кристалла имела постоянно изменяющуюся величину ГВГ-периода. Достоинством данной методики является возможность постоянной перестройки условий фазового синхронизма в ГВГ-секции при перемещении кристалла вдоль оси У (рис 7). При фиксированной величине периода ПГС-секции А,=7.2 мкм, условия фазового

синхронизма для ПГС-секции могут достигаться при 170°С с ожидаемой температурной полосой в 1.5°С. ГВГ-период варьируется вдоль оси У от Л2=19.45 мкм до 19.85 мкм. Изменение У-позиции кристалла позволяет эффективно изменять величину периода в разветвленной конфигурации. Это является преимуществом по сравнению с мультитрековым методом, описанным в пятой главе при дизайне трехрезонаторного ПГС-ССФ. Изменение величины периода в разветвленной ГВГ-секции выбрано таким образом, чтобы обеспечить условия фазового синхронизма при изменении температуры в 40СС при условии, что позиция кристалла может измениться от середины до одного из краев.

Одним из достоинств разработанной системы ПГС является выбранная конструкция резонатора. Стоит отметить, что после настройки, данная конструкция не нуждалась в юстировке в течение полутора лет. При конструировании механических элементов резонатора необходимо учитывать влияние вибраций, температурных градиентов, а также воздушных конвекционных потоков, которые имели место в данной системе, поскольку рабочая температура кристалла лежала в области 170-205 °С.

Поиск режима деления частоты на 3 происходил следующим образом: на первом этапе работы мы изменяли температуру кристалла пошагово с интервалом в 0.1 °С в диапазоне от 200 до 207°С при фиксированной мощности накачки 100 мВт. На втором этапе работ на каждом шаге, после стабилизации температуры кристалла, мы включали активную стабилизацию частоты ПГС. В захваченном состоянии измерялясь частота волны накачки и сигнальная частота при помощи ^.-метра с точностью до 100 МГц . При температуре измерения 203.6°С соотношение частот с точностью лямбдометра оказалось равным 3:2:1. При фиксированной температуре и мощности наачки на

Ноип

932 ПГП

РГГ

7 __-РРи' V

ИЩИ 2

Постопшы* Рхпеплевнв* период конфигурация

1Р1

А1ГЯ1.ПО. спаггрв

Ч.в-цт

0.8-цт

1Р2

Х-метр

Напита

Рис 7. Схема экспериментальной установки двухрезонаторного ПГС-ССФ. Р1Т - пьезоэлемент, ВР - фильтр, пропускающий частоту накачки; ЬР1, ЬР2 -фильтры, пропускающие частоту холостой и сигнальной волны соответственно.

следующем этапе мы проводили сканирование У-позиции в кристалле. В одном из положений, которое было немедленно зафиксировано и откалибровано по лимбу, наблюдалось уширение моды резонатора на сигнальной и холостой частотах. На рис 8 представлена запись кластеров ПГС для накачки, сигнальной и холостой волн (сверху вниз). При других температурах кристалла и У-позициях никогда ранее подобного поведения не наблюдалось.

Время, мсек Рис. 8. Уширение моды резонатора .

При более тщательной юстировке кристалла по всем координатам и по позиции кристалла относительно перетяжки пучка накачки в резонаторе и увеличении мощности накачки до N = 10 мы получили картину, которая уже наблюдалась ранее в другой системе (с накачкой МОРА области 842 нм).

Время, мсек

Рис 9. Режим самосинхронизации фазы в двухрезонаторном ПГС. Наблюдается провал интенсивности и уширение моды резонатора .

Действительно, провал интенсивности, идентичный [48], возникал при превышении мощности накачки над пороговой в 10 раз (рис 9). В этом случае мы не наблюдали никакого насыщения выходной мощности сигнальной волны в отличие от каскадного режима. Поведение кластеров, как на сигнальной, так и холостой частотах было идентичным. Диапазон самозахвата фазы линейно увеличивался при увеличении мощности накачки. При N>20 система дестабилизировалась, и мы экспериментально наблюдали Нор1-осцилляции (рис 10).

о s n a

и м

Время, мсек

Рис 10. Хопф- осцилляции в ССФ-ПГС при N = 20.

Время, мсек

Рис 11. Максимальное уширение моды резонатора при увеличении мощности накачки. Хопф-осцилляции при N=30.

Время, мсек

Рис. ¡2. Внутрирезонаторные биения на выходе ПГС-ССФ в области 80-110 МГц.

При дальнейшем увеличении мощности накачки до N=30 наблюдалось максимальное уширение моды резонатора, при этом Хопф-осцилляции наблюдались во всем диапазоне предполагаемого фазового самозахвата, что подтверждает факт полной дестабилизации системы (рис 11).

Внутрирезонаторные биения на частоте от 80 до 110 МГц были получены на pin фотодиоде между удвоенной холостой и сигнальной частотой прямо на выходе резонатора ПГС при мощности накачки 700 мВт. Биения наблюдались как на анализаторе спектра, так и на осциллографе. На рис 12 биения видны в виде острых пиков на сигнальном треке.

В заключении приведены основные результаты диссертационной работы.

В приложении: Представлены акты внедрения результатов диссертации, а также документы подтверждающие вклад соискателя при выполнении экспериментов от зарубежных лабораторий.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Исследования параметрического осциллятора с самосинхронизацией фазы в трехрезонаторной конфигурации с помощью эталонов Фабри - Перо в качестве частотных и фазовых дискриминаторов показали два режима работы ПГС-ССФ:

1) В одночастотном режиме при делении частоты на 3.

2) В многочастотном режиме работы с возможностью генерации боковых

частот.

При наличии оптики с компенсацией дисперсии возможно получение пассивной синхронизации мод в БРЬ-ОРО в ближнем и среднем ИК-диапазоне. При этом режим будет наблюдаться при отстройке частоты ПГС от точки деления на три на интервал, кратный межмодовому интервалу резонатора ПГС.

Признаки самосинхронизации фазы в режиме деления частоты на 3 и в многочастотном режиме, описанные выше не отличаются. В том и в другом режиме работы наблюдается провал интенсивности при сканировании резонатора ПГС и уширение собственной моды резонатора. При увеличении интенсивности накачки наблюдаются низкочастотные осцилляции, которые дестабилизируют работу ПГС-ССФ. В режиме деления на три спектры пропускания эталонов показывают одночастотный режим генерации ПГС, при отстройке частоты от режима деления на три на интервал кратный межмодовому интервалу ПГС наблюдался многочастотный режим генерации.

Пятичастотный режим генерации (наличие вторичного ПГС) открывает возможности для создания непрерывных оптических параметрических осцилляторов с любыми комбинациями частот, которые могут быть заданы

30

величиной периода А1 и Л2 соответствующей секции в периодически поляризованной структуре из ниобата лития или КТР. При этом специальная разветвленная конфигурация в структуре нелинейного элемента позволяет перестраивать вторичный ПГС в широком диапазоне, достигающем нескольких сотен нанометров. Частоты первичного ПГС не изменяются, поскольку величина периода в ПГС секции не зависит от координаты У.

Разработана компактная эффективно перестраиваемая каскадная ПГС система, которая позволяет независимо от первичного ПГС контролировать фазовый синхронизм для вторичного параметрического осциллятора. Уникальными характеристиками системы являются следующие параметры: насыщение сигнала на первичной сигнальной частоте, линейная зависимость выходной мощности от мощности накачки ПГС, перестройка по длине волны в широком (200 нм) диапазоне. Самосинхронизации фазы сигнальной и холостой волн в двухрезонаторном оптическом параметрическом осцилляторе наблюдается, когда отношение частот накачки, сигнальной и холостой волн находятся в соотношении ор = 3:2:1. При этом пятичастотный режим

осцилляций вырожден.

Признаки самосинхронизации фазы в двухрезонаторном и

трехрезонаторном параметрическом генераторе [48] не отличаются, что

хорошо согласуется с теоретическими результатами [22,23]. При сканировании

резонатора ПГС вблизи точки деления частоты на 3 возникает явный провал

интенсивности и уширение собственной моды резонатора ПГС при N=10. Хопф

— нестабильности наблюдаются при мощности накачки, превышающей

пороговую мощность в 20 раз. Для трехрезонаторного ПГС данный эффект

наблюдается уже при N=4. Диапазон самосинхронизации фазы в

двухрезонаторном ПГС линейно зависит от мощности накачки. Это имеет

место как для трехрезонаторного ПГС, так и для двухрезонаторного ПГС.

Внутрирезонаторные биения между удвоенной холостой и сигнальной частотой

наблюдаются на выходе двухрезонаторного ПГС при настройке генератора

вблизи точки деления на три. На выходе резонатора ПГС-ССФ наблюдаются

31

комбинационные частоты - удвоенная сигнальная (2ш+2ш=4<в) и суммарная частота между накачкой и сигнальной частотой (Зю+2со=5ш).

Наличие провала интенсивности при наблюдении кластеров сигнальной и холостой волн при сканировании резонатора ПГС-ССФ вблизи точки делении на 3 облегчает диагностику эффекта фазового самозахвата. Уширение собственной моды резонатора ПГС приведет к выгодному увеличению полосы пропускания для системы фазовой привязки.

Исследование квантовых аспектов прецизионных делителей частот дают основания для использования ПГС-ССФ в квантово-информационных технологиях, например, таких как, яркий источник запутанных состояний света. ПГС с самосинхронизацией фазы в комбинации с фемтосекундным лазером могут быть применены для абсолютного измерения оптических частот в широком диапазоне спектра от УФ- до среднего ИК-диапазона. ПГС-ССФ могут быть использованы для создания фемтосекундных оптических часов нового поколения.

Замена лазера накачки Verdi на Nd:YAG/I2 стандарт частоты позволит использовать ПГС-ССФ в качестве автономного мультиоктавного синтезатора оптических частот.

СПИСОК РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. С.Н.Багаев, В.Ф.Захарьяш, В.М.Клементьев, Д.Б.Колкер, С.А.Кузнецов, Ю.А.Матюгин, В.С.Пивцов, М.Н.Скворцов, С.В.Чепуров. Синхронизация частоты излучения диодных лазеров с частотой мод высокостабильного фемтосекундного титан-сапфирового лазера, Квантовая Электроника, 2001, Том 31, №5, с. 383-386.

2. S.N. Bagayev, A.K. Dmitriyev, A.S. Dychkov, S.V. Chepurov, V.M. Klementyev,

D.B. Kolker, Yu.A. Matyugin, M.V. Okhapkin, S.A.Kuznetsov, V.S. Pivtsov, M.N.

32

Skvortsov, V.F. Zakharyash, T.A. Birks, W.J. Wadsworth, P.St.J. Russell, A.M. Zheltikov «Femtosecond frequency combs stabilized with a He-Ne/CH4 laser: toward a femtosecond optical clock» Laser Physics, vol. 11, № 12, 2001, pp. 1270 - 1282 [Фемтосекундный лазер стабилизированный no He-Ne/CH4 лазеру. Оптические часы]

3. С.Н.Багаев, A.M. Гончаренко, В.Ф.Захарьяш,В.М.Клементьев, Д.Б.Колкер,

C.А.Кузнецов, Ю.А.Матюгин, В.С.Пивцов, С.В.Чепуров, Т.А.Биркс, В.Д.Уодсуорт, П.С.Расселл. Экспериментальные исследования влияния оптического волокна с перетяжкой на стабильность межмодовой частоты высокостабильных фемтосекундных импульсов. Квантовая Электроника, 2002, Том 32, № 7, с. 639-640.

4. I. Courtillot, A. Quessada, R. P. Kovacich, A. Brusch, D. Kolker, J-J. Zondy, G.

D. Rovera, P. Lemonde, "A clock transition for a future optical frequency standard with trapped atoms", Phys. Rev. A 68, 030501(R) (2003)

[Переход для будущего стандарта частоты с захваченными атомами]

5. J.J. Zondy, D. Kolker, С. Bonnin, D. Lupinski, " Second-harmonic generation with monolithic walk-off-compensating periodic structures. II Experiment." JOS A B, vol 20, No 8, August 2003, p. 1695-1707.

[Генерация второй гармоники на монолитных структурах с компенсацией угла сноса. Часть вторая, эксперимент]

6. J.-J. Zondy and D. Kolker, Franco N.C. Wong, "Dynamical signatures of self phase-locking in a triply resonant parametric oscillator", Phys. Rev. Let. Vol 93, Number 4, 2004.

[Динамические признаки самосинхронизации фазы в трехрезонаторном параметрическом осцилляторе]

7. J.-J. Zondy et D.Kolker, «Signature dynamiqies d'un auto-verrouillage de phase induit par compétition de processus yj2} dans un OPO triplement résonnant: Observation d'une bifurcation de Hopf inverse». Compte-rendus de la 7, Rencontre du Non-Linéare, Paris 2004, Institut Henri Poincaré, Nonè-linéare Publications, р.311

[Динамические признаки самосинхронизации фазы в трехрезонаторном параметрическом осцилляторе под влиянием конкуренции х<2) нелинейностей. Наблюдение Хопф-осцилляций]

8.1.Courtillot, A.Quessada-Vial, A.Brusch, D.Kolker, G.D. Rovera, and P.Lemonde, "Accurate spectroscopy of Sr atoms," Eur. Phys. J. D, vol.33, pp. 161-171,2005. [Точная спектроскопия атома стронция]

9. J.-J. Zondy et D. Kolker. Oscillateurs paramétriques optiques verrouillés en phase par competion de deux processus non linéaires % <2,:Mise en évidence de signatures dynamiques du fonctionnement en diviseur cohérent Зсо-> 2co, со. Bulletin BNM, vol.2003-2, pp.84-96, 2004, Paris, France.

[Параметрический осциллятор с конкуренцией двух % (2,нелинейных процессов. Очевидный динамический признак режима деления частоты Зсо—> 2со, со]

10. G.D. Rovera, A. Brusch, D. Kolker, О. Acef, J.-J. Zondy. "Chaîne de mesure pour fréquences optiques de très grande stabilité", Bulletin BNM, vol.2003-2, pp.7678, 2004, Paris, France.

[Экспериментальная установка для абсолютного измерения оптических частот с высокой точностью]

11. I.Courtillot, A.Quessada-Vial, A.Brusch, D.Kolker, G.D. Rovera, and P.Lemonde, "Transition d'horologe pour une horologe optique à atomes piégés," Bulletin BNM,, vol.2003-2, p.125, 2005, Paris, France. [Переход для оптических часов с захвачеными атомами ]

12. P. V. Gorelik, F. N. С. Wong, D. Kolker, and J. -J. Zondy, "Cascaded optical parametric oscillation with a dual-grating periodically poled lithium niobate crystal," Opt. Lett. 31, 2039-2041 (2006).

[Каскадный параметрический осциллятор с двойной конфигурацией периодически-поляризованного кристалла из ниобата лития]

13. Д.Б.Колкер , А.К. Дмитриев, А.С.Дычков, Ж.Ж. Зонди, Франко Вонг, "Двухрезонаторный оптический параметрический осциллятор с самосинхронизацией фазы", "Автометрия" т 44, №6, стр 66-75,2008 год.

14. D. Kolker, А. К. Dmitriyev, P. Gorelik, F. N. C. Wong and J.-J. Zondy, "Self-Phase Locking in 3-to-l Triply and Doubly Resonant Optical Parametric Oscillators", Laser Physics №6 , 2008, p 796-799.

[Самосинхронизация фазы в трех- и двухрезонаторном параметрическом осцилляторе]

15. Д.Б.Колкер , А.К. Дмитриев, А.С.Дычков, Ж.Ж. Зонди, Франко Вонг, "Каскадный режим осцилляций в оптическом параметрическом осцилляторе", Квантовая электроника т.39 №5, 2009, с 341-344.

16. Д.Б.Колкер, А.К.Дмитриев, Ж.Ж.Зонди и Франко Вонг, "Пятичастотный оптический параметрический осциллятор", Материалы IX международной конференции актуальные проблемы электронного приборостроения (АПЭП-2008) в 7 томах. Том 5, с.54-58. Новосибирский государственный технический университет. 2008.

17. S.N. Bagayev, A.K. Dmitriyev, A.S. Dychkov, S.V. Chepurov, V.M. Klementyev, D.B. Kolker, S.A.Kuznetsov, Yu.A. Matyugin, M.V. Okhapkin, M.N. Skvortsov, V.S. Pivtsov, V.F. Zakharyash «The frequency synthesis at 88 THz for femtosecond optical clock» Russian-French Laser Symposium, Vladimir, Suzdal, Russia, September 30-october 7, 2001, Technical Digest, pp. 47-48.

18. S.N. Bagayev, V.I.Denisov, S.V. Chepurov, V.M. Klementyev, D.B. Kölker, I.I.Korel, Yu.A. Matyugin, S.A.Kuznetsov, V.S. Pivtsov, V.F. Zakharyash, T.A. Birks, W.J. Wadsworth, P.St. J. Russell «Investigation of the influence of a tapered fiber on spectrum of femtosecond pulses train» IQEC/LAT 2002, 22-28 June 2002, Moscow, Russia, Technical Digest, p. 395-398

19. S.N. Bagayev, S.V. Chepurov, A.M. Goncharenko V.M. Klementyev, D.B. Kölker, S.A.Kuznetsov, Yu.A. Matyugin, V.S. Pivtsov, V.F. Zakharyash, T.A. Birks, W.J. Wadsworth, P.St.J. Russell «Experimental investigation of the influence of a tapered fiber on the intermode frequency stability of highly stable femtosecond pulses» IQEC/LAT 2002, 22-28 June 2002, Moscow, Russia, Technical Digest, p.341-344

20. С.Н. Багаев, В.Ф. Захарьяш, В.М. Клементьев, Д.Б. Колкер, С.А. Кузнецов, В.С.Пивцов, С.В. Чепуров. "Применение полупроводниковых лазеров в высокоточных системах частотных измерений". 4-й Белорусско-Российский семинар "Полупроводниковые лазеры и системы на их основе" Минск, 20-22 мая 2002 г.

22. S.N. Bagayev, S.V. Chepurov, V.M. Klementyev, D.B. Kolker, S.A.Kuznetsov, Yu.A. Matyugin, V.S. Pivtsov, V.F. Zakharyash « The frequency synthesis of He-Ne/CH4 standard for femtosecond optical clock» Symposium on Laser Metrology LM 2002, Novosibirsk, Russia, 9-13 September, 2002

23. A. Brusch, I. Courtillot, A. Quessada, A. Brusch, D. Kolker, R.P. Kovacich, J.-J. Zondy, G.D. Rovera, A. Clairon, G. Santarelli and P. Lemonde, "Optical frequency measurements at BNM-SYRTE." Proc of 7th International Workshop on Atom Optics and Interferometry, 28 September-2 October 2002, Lunteren, Holland.

24. S.N. Bagayev, A.S. Dychkov, A.V. Kashirsky, V.M. Klementyev, D.B. Kolker, S.A. Kuznetsov, Yu.A. Matyugin, V.S. Pivtsov, V.F. Zakharyash «Absolute frequency measurements of iodine transitions using the femtosecond synthesizer of standard optical frequencies» XI Conference on Laser Optics, St. Petersburg, Russia, June 30-July 4 2003, Technical Program, p. 75-78.

25. J-J. Zondy, D. Kolker, "Stability of the self-phase-locked pump-enhanced singly resonant optical parametric oscillator" Proc. CLE02003, 1-4 June 2003, USA, Baltimore

26. J.-J. Zondy, D. Kolker, Ch.Bonnin, D.Lupinski, "22 time efficiency enhancement of second harmonic generation by using a 10 - plate monolithic walkoff -compensating KTP structures". Proc. "Laser Optic 2003", 30 June - 5 July 2003, St. Petersburg, Russia

27. G. D. Rovera, A. Brusch, D. Kolker, J.-J. Zondy, O. Acef, I. Courtillot, A. Quessada, P. Lemonde, J.-P. Wallerand, J. C. Knight, W. J. Wadsworth, P. St. J.

Russel. "A fs-laser chain for a new optical frequency standard based on cold strontium" Proc. "Laser Optic 2003", 30 June - 5 July 2003, St. Petersburg, Russia

28.1. Courtillot, A. Quessada, R. K. Kovacich, G. Santarelli, A. Clairon, A. Brusch, D. Kolker, O. Acef, G. Rovera and P. Lemonde, "Optical frequency measurements with laser cooled Sr atoms." Proc. of Joint meeting 17th European Frequency and Time Forum and 2003 IEEE, International Frequency Control Symposium, 5-8 May 2003, Tampa, USA

29. I. Courtillot, A. Quessada, A. Brusch, R.P. Kovacich, D. Kolker, G.D. Rovera and P. Lemonde, "Direct observation of the ISO - 3P0 forbidden line in 87Sr towards an optical clock with trapped atoms." Proc. of Second Workshop on Cold AlkalineEarth Atoms, 11-13 September 2003, Copenhagen, Denmark

30. G.D. Rovera, J.-J. Zondy, A.Brusch, D.Kolker, J.-P. Wallerand, J.C. Knight, and P.S.J. Russell, "Absolute frequency measurements at bnm-syrte," in Proc. of the 2003 joint meeting EFTF - IEEE IFCS, Tampa, p. 11-12, 2003.

31. S.N. Bagayev, S.V. Chepurov, V.M. Klementyev, D.B. Kolker, S.A.Kuznetsov, Yu.A. Matyugin, V.S. Pivtsov, V.F. Zakharyash « The frequency synthesis of He-Ne/CFLt standard for femtosecond optical clock» Symposium on Laser Metrology LM 2002, Novosibirsk, Russia, 9-13 September, 2002

32. S.N. Bagayev, A.S. Dychkov, A.V. Kashirsky, V.M. Klementyev, D.B. Kolker, S.A. Kuznetsov, Yu.A. Matyugin, V.S. Pivtsov, V.F. Zakharyash «Absolute frequency measurements of iodine transitions using the femtosecond synthesizer of standard optical frequencies» XI Conference on Laser Optics, St. Petersburg, Russia, June 30-July 4 2003, Technical Program, p. 75.

33. J-J. Zondy, D. Kolker, "Stability of the self-phase-locked pump-enhanced singly resonant optical parametric oscillator" Proc. CLE02003, 1-4 June 2003, USA, Baltimore.

34. J.-J. Zondy, D. Kolker, Ch.Bonnin, D.Lupinski, "22 time efficiency enhancement of second harmonic generation by using a 10 - plate monolithic walkoff -

compensating KTP structures". Proc. "Laser Optic 2003", 30 June - 5 July 2003, St. Petersburg, Russia

35. J.-J. Zondy and D. Kolker, N.C. Wong, "Dynamical signatures of competing nonlinearities induced self phase-locking in a triply resonant parametric oscillator", accepted CPEM 2004, London, June 2004.

36. Jean-Jacques Zondy, Dmitri Kolker and Franco N.C. Wong, "Nonlinear dynamics of optical parametric oscillators subject to resonant competing nonlinearities: the 3-^1 self-phase-locked OPO", Invited paper, MPLP2004, Novossibirsk, Russia.

36. Jean-Jacques Zondy, Dmitri Kolker and Franco N.C. Wong, "Nonlinear dynamics of optical parametric oscillators subject to resonant competing nonlinearities: the 3-^1 self-phase-locked OPO", Invited paper, MPLP2004, Novosibirsk, Russia.

37. P. V. Gorelik, F. N. C. Wong, D. Kolker, and J. -J. Zondy, "Cascaded optical parametric oscillation with a dual-grating periodically poled lithium niobate crystal, CLEO 2006 (USA).

38. Self-Phase Locking in a 3-to-l Doubly-Resonant Dual-Grating Optical Parametric Oscillator" ICONO 2007 (Минск, Беларусь).

39. P. V. Gorelik, F. N. C. Wong, D. Kolker, and J. -J. Zondy, "Dynamical signature of self-phase locking in doubly resonant optical parametric oscillator", AMPL2007 (Томск, Россия)

ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. A. A. Kaminskii, "Laser crystals and ceramics: recent advances," Laser & Photon. Rev. 1, p 93-177 (2007).

2. V. Petrov, F. Noack, I. Tunchev, P. Schunemann, and K. Zawilski, "The nonlinear coefficient d36 of CdSiP2," Proc. SPIE 7197, 7197-21/1-8 (2009).

3. Е. О. Amman and J. M. Yarborough, "Optical parametric oscillation in proustite," Appl. Phys. Lett. 17, p 233-235 (1970).

4. D. C. Hanna, B. Luther-Davies, H. N. Rutt, and R. C. Smith, "Reliable operation of a proustite parametric oscillator," Appl. Phys. Lett. 20, p 34-36 (1972).

5. D. C. Hanna, B. Luther-Davies, and R. C. Smith, "Singly resonant proustite parametric oscillator tuned from 1.22 to 8.5 ¡im," Appl. Phys. Lett. 22, p 440-442 (1973).

6. Y. X. Fan, R. C. Eckardt, and R. L. Byer, "AgGaS2 infrared parametric oscillator," Appl. Phys. 45, p 313-315 (1984).

7. P. B. Phua, R. F. Wu, Т. C. Chong, and В. X. Xu, "Nanosecond AgGaS2 optical parametric oscillator with more than 4 micron output," Jpn. J. Appl. Phys. 36, p 1661-LI664 (1997).

8. K. L. Vodopyanov, J. P. Maffetone, I. Zwieback, and W. Rudermann, "AgGaS2 optical parametric oscillator continuously tunable from 3.9 to 11.3 |im," Appl. Phys. Lett. 75, p 1204-1206(1999).

9. T.-J. Wang, Z.-H. Kang, H.-Z. Zhang, Q.-Y. He, Y. Qu, Z.-S. Feng, Y. Jiang, J.-Y. Gao, Y. M. Andreev, and G. V. Lanskii, "Wide-tunable, high energy AgGaS2 optical parametric oscillator," Opt. Express 14, p 13001-13006 (2006).

10. V. V. Badikov, A. K. Don, К. V. Mitin, A. M. Seregin, V. V. Sinaiskii, and N. I. Schebetova, "A HgGa2S4 optical parametric oscillator," Quantum Electron. 33, 831832 (2003) [transl. from Kvantovaya Elektron. 33, p 831-832 (2003)].

11. J.-J. Zondy, V. Vedenyapin, A. Yelisseyev, S. Lobanov, L. Isaenko, and V. Petrov, "LiInSe2 nanosecond optical parametric oscillator," Opt. Lett. 30, p 24602462 (2005).

12. V. V. Badikov, A. K. Don, К. V. Mitin, A. M. Seryogin, V. V. Sinaiskiy, and N. I. Schebetova, "Optical parametric oscillator on an Hgl-xCdxGa2S4 crystal," Quantum Electron. 35, 853-856 (2005) [Квантовая электроника т 35, с 853-856 (2005)].

13. A. Henderson and Ryan Stafford, "Low threshold singly resonant CW OPO pumped by all-fiber pump source". Opt. Express 14, p 767-772 (2006)

39

14. S. Schiller et al," Doppler-free spectroscopy of methane at 3.39 mkm". Phys. Rev. Lett. 78, 1243 (1997).

15. E. Kovalchuk, D. Dekorsy, A. Lvovsky, C. Braxmaier J. Mlynek, A. Peters, S. Schiller, «High resolution Doppler-free molecular spectroscopy using a continuous wave optical parametric oscillator", Optics Letters, 26, No. 18 (2001)

16. A.Ngai et al, "Optical parametric oscillator for high resolution spectroscopy and sensitive trace-gas detection" Applied Physics В : Lasers and Optics vol. 85, p. 173, 2006.

17. L. S. Vasilenko, V. P. Chebotaev, and A. V. Shishaev, Pis'ma Zh. Eksp. Teor. Fiz., 12 (1970), 161; JETP Lett., 12 (1970), p 113

18. L. S. Vasilenko, A. V. Shishaev, V. P. Chebotaev, and B. Ya. Yurshin, Abstracts of Papers presented at Third Intern. Conf. on Lasers and Their Applications (Dresden), 1977, (in Russian)

19. V.P.Chebotayev, V.M.Klementyev, O.I.Pyltsin, V.F.Zakhariash, «Optical-Pulse Frequency Stabilization of Self-Mode-Locked He-Ne Lasers», Appl. Phys., Vol. В 54, pp 98-99, 1992.

20. S.A.Diddams, D.J.Jones, L.-Sh.Ma, S.T.Cundiff, and J.L.Hall, «Optical Frequency Measurement Across a 104-THz Gap with a Femtosecond Laser Frequency Comb», Opt. Lett., Vol. 25, pp. 186 - 188, Feb. 2000.

21. S.A.Diddams, D.J.Jones, J.Ye, S.T.Cundiff, J.L.Hall, J.K.Ranka, R.S.Windeler, R.Holzwarth, T.Udem, T.W.Haensch, «Direct Link Microwave and Optical Frequecies with a 300 THz Femtosecond Laser Comb», Phys. Rev. Lett., Vol. 84, pp. 5102-5105, May 2000.

22. J.-J. Zondy et al, "Theory of self-phase-locked optical parametric oscillators", Phys. Rev. A 63, pp. 023814 (2001)

23. J.-J. Zondy, "Stability of the self-phase locked pump-enhanced singly resonant parametric oscillator, Phys. Rev A67, 03581 (2003)

24. L. Longchambon et al, "Non-linear and quantum optics of a type IIOPO containing a birefringent element, Part 2 : bright entangled beams generation" e-print arXiv:quant-ph№ 11123 (2003).

25. A. Douillet, J.-J. Zondy, G. Santarelli, A. Makdissi, A. Clairon, IEEE Trans. Instrum. Meas. 50, p. 548 (2001).

26.S. Schiller, R.L. Byer, J. Opt. Soc. Am. В 10, p.1696 (1993) 21.?. Lohdahl, M. Saffman, Phys; Rev. A 60, 3251 (1999); M. Bache, P. Lohdal, A.V. Mamaev, M. Marcus, M. Saffman, Phys. Rev. A 65, p. 033811 (2002).

28. K. P. Chung, A. Marcano, J. Opt. Soc. Am. В 5, p. 2524 (1998).

29. P. Coullet, K. Emilsson, Physica D 61, p. 119 (1992).

30. L. A. Lugiato, C. Oldano, C. Fabre, E. Giacobino, R. J. Horowicz, Nuovo CimentoD 10, p. 959(1988).

31. C. Ritchy, К. I. Petsas, E. Giacobino, C. Fabre, L. Lugiato, J. Opt. Soc. Am. В 12, 456(1995).

32.P. Suret, D. Derozier, M. Lefranc, J. Zemmouri, S. Bielawski, Phys; Rev. A 61,p. 021805 (2000).

33. A. Douillet, J.-J. Zondy, A. Yelisseyev, L. Isaenko, S. Lobanov, J. Opt. Soc. Am. В 16,p. 1481 (1999).

34.S. A. Diddams, L.-S. Ma, J. Ye, J. L. Hall, Opt. Lett. 24, 1747 (1999).

35.A. Einstein, B. Podolsky, R. Rozen, Phys. Rev. 47, 111 (1935).

36.Z.Y. Ou, S.F. Pereira, H.J. Kimble, K.C. Peng, Phys. Rev. Lett. 68, p. 3663 (1992).

37.P. Manneville, Structures dissipatives, Chaos et Turbulence, Ed. Aléa Saclay, Commissariat à l'Energie Atomique ( 1991 ).

38.M.C. Croos, P.C. Hohenberg, Pattern formation outside of equilibrium, Rev. Mod. Phys. 65, p. 851-1112 (1993).

39.M. Vaupel, A. Maitre, C. Fabre, Phys. Rev. Lett. 83, p. 5278 (1999).

40. S. Longhi, Spiral waves in a class of optical parametric oscillators, Phys. Rev. E 63, p.055202 (2001).

41. Cohen E.R., Taylor B.N. Journ.Phys. Chem. Ref. Data, 2, 663, p.734 (1973).

42. Baklanov E.V., Chebotayev V.P. Optics Communs, 12, p. 312 (1974).

43. В.Летохов, Чеботаев В.П. Нелинейная лазерная спектроскопия сверхвысокого разрешения .(издание)

44. Хьюберг К.П., Герцберг Г., Константы двухатомных молекул (М., Мир, 1984).

45. J.J. Zondy, С. Bonnin, D. Lupinski, "Second-harmonic generation with monolithic walk-off-compensating periodic structures. Theory." JOSA B, vol 20, No 8, August 2003.

46. L. K. Samantha, T. Yanagawa, and Y. Yamamoto, Technique for enhanced second harmonic output power, Opt. Commun. 76, p 250-252 (1993).

47. D. J. Armstrong, W. J. Alford, T. D. Raymond, and A. V. Smith, Parametric amplification and oscillation with walkoff-compensating crystals, J. Opt. Soc. Am. В 14, p 460-474 (1997).

48. J.-J. Zondy et all., "Dynamical signatures of self phase-locking in a triply resonant parametric oscillator", Phys. Rev. Let. Vol. 93, Number 4, 2004.

ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

КЭД — квантовая электродинамика

N- Отношение интенсивности накачки параметрического осциллятора к пороговой интенсивности.

ПГС-ССФ параметрический генератор света с самосинхронизацией фазы 2N-OCWOC периодическая структура с компенсацией угла сноса WOC - конфигурация с компенсацией угла сноса ГВГ- генерация второй гармоники

PPLN — периодически-поляризованная структура из ниобата лития

РРКТР - периодически поляризованная структура из KTiP04

nrC(DRO) - двухрезонаторный параметрический генератор

PRSRO - двухрезонаторный параметрический генератор с резонансом на сигнальной волне и волне накачки.

TRO — трехрезонаторный параметрический осциллятор

МОРА - система: одночастотный диодный лазер и полупроводниковый усилитель

FSR - межмодовый интервал

Fn. -передаточная функция 2N-OCWOC структуры

БЛАГОДАРНОСТИ

Автор выражает глубочайшую признательность моим дорогим учителям: Н.В.Новиковой, А.М.Безнощенко, З.Г.Фельдгун, Т.К.Бикису, Н.В.Вахрушеву, В.А.Гридчину, В.П. Драгунову, В.Н.Холявко, Е.М.Самойлову и В.С.Шадрину.

Автор выражает глубокую благодарность академику С.Н. Багаеву -директору Института Лазерной физики СО РАН, ректору НГТУ, профессору, д.т.н. Н.В.Пустовому, профессору, д.т.н., проректору НГТУ по международным связям Е.Б.Цою, профессору, проректору НГТУ по научной работе А.Г.Вострецову, профессору Дж. Шапиро — директору Research Laboratory of Electronics М1Т(США), профессору Ж.Ж.Зонди - французскому теоретику и экспериментатору, зав. лабораторией CNAM-LNE-1NM (Париж, Франция), директору LNE-SYRTE г-ну Филиппу Тукею (Париж, Франция), д-ру Валентину Петрову и д-ру Франку Ноаку, лаборатория нелинейной оптики (MBI, Берлин, Германия), научному консультанту, профессору, д.ф-м.н. А.К.Дмитриеву, к.ф-м.н. Ю.А.Матюгину - моему первому научному руководителю и руководителю кандидатской диссертации, к.ф-м.н. А.С.Дычкову, профессору, д.ф-м.н. Е.А.Титову, к.ф-м.н. Н.В.Фатееву, профессору, д.ф-м.н. В.М. Клементьеву, к.ф-м.н. B.C. Пивцову, д.т.н. Л.И.Исаенко, к.ф-м.н. А.П.Елисееву, д-ру Ф.Вонгу — ведущему научному сотруднику RLE-MIT, Павлу Горелику — сотруднику Lincoln Laboratory MIT,

г-ну Данелию Ровере, д-ру И. Куртило, д-ру Уали Асефу и д-ру Пьеру Лемонду (LNE-SYRTE, Observatoire de Paris), директору ООО "Ангстрем" А. Потехину, Ю.Ф.Томашескому ООО "Ангстрем" за поддержку и сотрудничество на всех этапах работы.

Автор выражает глубокую благодарность Германской службе академических обменов и Министерству науки и образования РФ за финансовую поддержку по программе "Михаил Ломоносов" в 2008-2009 году.

Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630092, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, тел./факс (383)346-08-57 формат 60 X84/16 объем 2.75 п.л., тираж 110 экз.. заказ № 1486 подписано в печать 26.10.09 г.