Физическая энциклопедия Том 4 - Порохов А.М.
Скачать (прямая ссылка):
В нередоиансных с радах оптич. С. формируются в результате баланса, двух конкурирующих процессов — дисперсионного, расплывания (CM. Дисперсия света) н нелинейного самосжатия (см. Самовоздействия света). Наиб, благоприятные условия для формирования С. реализуются р одномодовых волоконных световодах благодаря предельно малым оптич. потерям (^0,2 дБ/км при длине волны излучения Я = 1,55 мим) и устойчивости модовой структуры излучения , при возрастании входной мощности вплоть до значений, близких К порог гу. самофоиусировки.
Временные эффекты самовоздействия (самосжатия) оптич. импульсов обусловлены нелинейной добавной к показателю преломления 6п = Я3/эф, где эфф. значение интенсивности I9ф = PjS9Qf определяется отношением пиковой мощности импульса к эфф. площади моды 5эф, Hi — коэф. нелинейности (в кварцевых световодах йа = 3,2*IO^ie смй/Вт). При распространений нмпульса На расстояние z его вершина приобретает дополнит, фазовый набег бф = kntI^2 (к — волновое число) и, следовательно, зависящую от времени добавку к несущей частоте 6w = d(Q<p)fdt. Т. о., в результате
ta30B0fi самомодуляцнн нарастает несущая частота от роита нмпульса к его хвосту, т. е. происходит частотная модуляция. Для скорости частотной модуляции «фс = d(ba>)/dt справедлива оценка афс ~ Icn1I7^zI2т’» где T0 — длительность нмпульса.
Другой конкурирующий процесс — дисперсионное расплывание нмпульса возникает вследствие дисперсии групповой скорости, характеризуемой величиной Uz = дък!д<а2. Спентрально-ограннченным импульс приобретает частотную модуляцию, скорость к-рой ад = 2zk^ ‘/(г2 + L*) зависит от пройденного расстояния г, где Lr = х*/Ifcz! — дисперсионная длина. В спектральном диапазоне, соответствующем аномальной дисперсии групповой скорости (kz < 0, X > 1,3 мкм), частота нмпульса уменьшается от фронта импульса к хвосту.
Из условия баланса конкурирующих процессов 0Сд 4- афС = 0 при прохождении импульсом расстоя-
оценить прн
P,
можно
кр
ння Z <? L нритич. мощность, к-рой формируется С.
= kzSafy/ (Jcni т*).
Основой для адекватного матем. описания процессов формирования и взаимодействия С. пикосекундного диапазона длительностей является нелинейное ур-ние Шрёдингера, к-рому удовлетворяет комплексная амплитуда поля ?(1, т) (см. Солитон). Огибающая солитонного импульса имеет вид ?=se?h(т)exp(—/?/2), где I — расстояние, нормированное на дисперсионную длину Ln, х = (t — ъ!и)Ixt- бегущее время, нормированное иа нач. длительность импульса, и — групповая скорость. Нелинейное ур-ние Шрёдингера принадлежит к классу интегрируемых нелинейных ур-ний H
решается обратной задачи рассеяния методом. Еслн мощность спектрально-ограниченного нмпульса превышает критическую, то его асимптотич, поведение при J —> оо определяется солнтоннон составляющей, амплитуда несолнтоннон части решения убывает с/э
Важным классом аналитически вычисляемых решений нелинейного ур-ння Шрёдингера являются N-солн-тонные импульсы, соответствующие иач. условиям вида ?(0, т) = TVsechi:, где N — целое число. Они представляют собой нелинейную суперпозицию N движущихся с одинаковой скоростью солитонов с амплитудами ?m = (2m — I), т = 1, 2, N. Важные особенности jV-солитонных импульсов состоят в том, что их распространение начинается с самосжатня (рис. 1), а модуль комплексной амплитуды периодичен по ? с периодом л 12.
Закономерности формирования и распространения одиосолнтонных и Ar-COJIUTOHHHX импульсов были подтверждены экспериментами Л. Молленауэра (L. Mol-lenauer), P. X. Столена (R. Н. Stolen) и В. Гордона (W. Gordon). В этих опытах с помощью тщательно сформированных пикосекундных импульсов синхронно накачиваемого лазера на центрах окраски (Я = 1,5 мкм; полная длительность импульса по полувысоте ~ 7 пкс; P0 ~ 1 — 22 Вт) удалось наблюдать одиосолитонные и TV-солитонные импульсы для Ar ^ 4. Успешные эксперименты с С. стнмулнровалн нх применение в волоконно-оптич. евязн для сверхскоростной передачи информации, в технике формирования импульсов фемтосекундной длительности, в спентроскопни быстропротекающих процессов и привели к созданию солитониых лазеров.
Теоретически и экспериментально исследовано влияние различных возмущающих факторов (оптич. потерн, дисперсия высших порядков, инерционность нелинейного откянка, стохастич. возмущения формы входного импульса и параметров световода) на распространение пнко- н фемтосекундных С. н на их взаимодействие. Показана возможность номпеисацни оптнч. потерь за счёт комбинац. усиления, что позволяет реализовать передачу С. на расстоянии до 50 км.
Распространение мощных когерентных импульсов света в резонансно-поглощающих средах (см. Самоиндуцированная прозрачность) также сопровождается солн-тонными эффектами. Еслн длительность нмпульса т0 существенно меньше времён релаксации населённостей Ti и затухания свободной поляризации T2, то в результате поглощения в течение 1-н половины импульса и последующего усиления в течение 2-й половины нмпульса формируется стационарный волновой пакет, проникающий в среду на расстояние, существенно превышающее длину линейного поглощения (см. также Двухуровневая система).
