Аннотации (05.2023) : Полностью оптическое формирование свойств трехмерного солитона самоиндуцированной прозрачности в парах 87Rb

Полностью оптическое формирование свойств трехмерного солитона самоиндуцированной прозрачности в парах 87Rb

DOI: 10.17586/1023-5086-2023-90-05-03-09

УДК 621.373:535

Сергей Николаевич Багаев¹, Игорь Борисович Мехов², Игорь Анатольевич Чехонин³^*, Михаил Анатольевич Чехонин⁴

¹Институт лазерной физики Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирск, Россия

^{2, 3, 4}Санкт-Петербургский государственный университет, Санкт-Петербург, Россия

¹bagayev@laser.nsc.ru https://orcid.org/0000-0003-4470-2779

²mekhov@yahoo.com https://orcid.org/0000-0001-9699-8335

³chekhonin@mail.ru https://orcid.org/0000-0001-6862-6737

⁴chekhonin@bk.ru https://orcid.org/ 0009-0003-0182-9267

Аннотация

Предмет исследования. Трехмерные солитоны теории самоиндуцированной прозрачности лазерных импульсов со сходящимся цилиндрическим волновым фронтом и различными поперечными пространственными профилями поля импульса в пара€х ⁸⁷Rb (резонансный переход D₂, длина волны 780,24 нм). Цель работы. Экспериментальное исследование трехмерных солитонов самоиндуцированной прозрачности лазерных импульсов для разработки прототипов новых устройств резонансной радиофотоники с помощью лазерных методов обработки сигналов в сверхвысокочастотном диапазоне спектра. Метод. В каустике сфокусированного пучка лазерного импульса накачки с цилиндрическим волновым фронтом создается поперечный пространственный профиль напряженности электрического поля специальной формы. Для создания произвольного профиля могут быть применены разработанные нами компьютерные синтезированные голограммы. Основные результаты. Исследованы свойства трехмерного солитона самоиндуцированной прозрачности при различной частоте расстройки поля входного импульса по отношению к атомному резонансу. Максимальная мощность импульса лазера составляла 8,5 мВт, длительность импульса 4–5 нс. Разрешение системы регистрации по времени — 27 пс. Показано, что полностью оптическое управление несущей частотой входного импульса определяет свойства выходного импульса — сжатие длительности импульса (генерация строб-импульса), задержку солитона по времени, смещение во времени несущей частоты солитона. Практическая значимость. Полученные в работе результаты исследования свойств трехмерных солитонов самоиндуцированной прозрачности послужат основой для разработки прототипов устройств для обработки оптических сигналов с использованием лазерных диодов малой мощности.

Ключевые слова: самоиндуцированная прозрачность, солитон, радиофотоника, резонансная среда, компьютерная синтезированная голограмма

Благодарность: работа поддержана Российским научным фондом, проект № 17–19–01097.

Ссылка для цитирования: Багаев С.Н., Мехов И.Б., Чехонин И.А., Чехонин М.А. Полностью оптическое формирование свойств трехмерного солитона самоиндуцированной прозрачности в парах ⁸⁷Rb // Оптический журнал. 2023. Т. 90. № 5. С. 3–9. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-05-03-09

Коды OCIS: 060.5530, 050.1590, 060.5625

All-optical shaping of a 3D self-induced transparency soliton in ⁸⁷Rb vapours

Sergey N. Bagaev¹, Igor B. Mekhov², Igor A. Chekhonin³^*, Mikhail A. Chekhonin⁴

¹Institute of Laser Physics of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, Novosibirsk, Russia

^{2, 3, 4}St. Petersburg State University, St. Petersburg, Russia

¹bagayev@laser.nsc.ru https://orcid.org/0000-0003-4470-2779

²mekhov@yahoo.com https://orcid.org/0000-0001-9699-8335

³chekhonin@mail.ru https://orcid.org/0000-0001-6862-6737

⁴chekhonin@bk.ru https://orcid.org/ 0009-0003-0182-9267

Abstract

Subject of study. Three-dimensional solitons of the theory of self-induced transparency of laser pulses with a converging cylindrical wave front and different transverse spatial profiles of the pulse field in ⁸⁷Rb vapor (resonant transition D₂, wavelength 780.24 nm). Aim of study. Experimental study of three-dimensional solitons of self-induced transparency of laser pulses for development of new devices prototypes for resonant quantum microwave photonics using laser signal processing methods in the microwave region of the spectrum. Method. In the caustic of a focused beam of a laser pump pulse with a cylindrical wave front, a transverse spatial profile of the electric field strength of a special shape is created. The computer generated holograms developed by us can be used to create an arbitrary profile. Main results. The properties of a three-dimensional self-induced transparency soliton are studied for various detuning frequencies of the input pulse field with respect to atomic resonance. The maximum laser pulse power was 8.5 mW; the pulse duration was 4–5 ns. The time resolution of the recording system is 27 ps. It is shown that the all-optical control of the carrier frequency of the input pulse determines the properties of the output pulse — compression of the pulse duration (generation of a strobe pulse), the value of the soliton delay in time, the time shift of the carrier frequency of the soliton. Practical significance. The results obtained in the study of the properties of three-dimensional self-induced transparency solitons will serve as the basis for the development of prototypes of signal processing devices using low-power laser diodes.

Keywords: self-induced transparency, soliton, quantum microwave photonics, resonant medium, computer generated hologram

Acknowledgment: this work was supported by the Russian Science Foundation, project № 17–19–01097.

For citation: Bagaev S.N., Mekhov I.B., Chekhonin I.A., Chekhonin M.A. All-optical shaping of a 3D self-induced transparency soliton in ⁸⁷Rb vapours [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2023. V. 90. № 5. P. 3–9. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-05-03-09

OCIS сodes: 060.5530, 050.1590, 060.5625

Список источников

1. Аллен Л., Эберли Дж. Оптический резонанс и двухуровневые атомы. М.: Мир, 1978. 222 с.

2. Slusher H.E., Gibbs H.M. Self-induced transparency in atomic rubidium // Phys. Rev. A. 1972. V. 5. № 4. P. 1634–1659. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.5.1634

3. Slusher H.E., Gibbs H.M. Self-induced transparency in atomic rubidium (ERRATA) // Phys. Rev. A. 1972. V. 6. № 3. P. 1255–1257. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.6.1255.3

4. Большов Л.А., Лиханский В.В. Влияние расстройки резонанса на неустойчивость когерентных импульсов света в поглощающих средах // ЖЭТФ. 1978. Т. 75. № 6(12). С. 2047–2053.

5. Егоров В.С., Реутова Н.М. Об особенностях когерентного распространения импульса сверхизлучения через оптически плотную резонансно-поглощающую среду // Опт. и спектр. 1989. Т. 66. № 6. С. 1231–1234.

6. Козлов В.В., Фрадкин Э.Е. К теории самоиндуцированной прозрачности в сфокусированном световом пучке // Письма в ЖЭТФ. 1991. Т. 54. № 5. С. 266–269. http://www.jetpletters.ac.ru/ps/212/article_3542

7. Egorov V.S., Fradkin E.E., Kozlov V.V., et al. Supertransparency of a resonantly absorbing medium for short pulses with a nonplane wave front // Laser Phys. 1992. V. 2. P. 973.

8. Козлов В.В., Фрадкин Э.Е. Распространение трехмерного оптического солитона в резонансной газовой среде // ЖЭТФ. 1993. Т. 103. № 6. С. 1902-1913.

9. Kozlov V.V., Fradkin E.E. Distortion of self-induced-transparency solitons as a result of self-phase modulation in ion-doped fibers // Opt. Lett. 1995. V. 20. № 21. P. 2165–2167. https://doi.org/10.1364/OL.20.002165

10. Козлов В.В., Фрадкин Э.Е., Егоров B.C. и др. Эффект сверхпрозрачности // ЖЭТФ. 1996. Т. 110. № 5(11). С. 1688–1702.

11. Blaauboer M., Malomed B.A., Kurizki G. Spatiotemporally localized multidimensional solitons in self-induced transparency media // Phys. Rev. Lett. 2000. V. 84. № 9. P. 1906–1909. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.84.1906

12. Gibbs H.M., Bolger B., Mattar F.P., et al. Coherent on-resonance self-focusing of optical pulses in absorbers // Phys. Rev. Lett. 1976. V. 37. № 26. P. 1743. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.37.1743

13. Маттар Ф.П., Форстер Г., Тошек П.Э. Когерентная резонансная самофокусировка световых импульсов // Квант. электрон. 1978. Т. 5. № 8. С. 1819–1824.

14. Архипов Р.М., Архипов М.В., Егоров В.С. и др. Излучение резонансной среды, возбуждаемое лазерным излучением с периодической фазовой модуляцией в режиме сильной связи поля и вещества // Опт. и спектр. 2019. Т. 127. № 6. С. 967–974. http://dx.doi.org/10.21883/OS.2019.12.48694.180-19

16. Bagayev S.N., Averchenko V.A., Chekhonin I.A., et al. Experimental new ultra-high-speed all-optical coherent streak-camera // J. Phys.: Conf. Ser. 2020. V. 1695. P. 012129 (1–6). http://dx.doi.org/10.1088/1742-6596/1695/1/012129

References

1. Allen L., Eberly J.H. Optical resonance and two-level atoms. N.Y.: Wiley, 1975. 256 p.

2. Slusher H.E., Gibbs H.M. Self-induced transparency in atomic rubidium // Phys. Rev. A. 1972. V. 5. № 4. P. 1634–1659. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.5.1634

3. Slusher H.E., Gibbs H.M. Self-induced transparency in atomic rubidium (ERRATA) // Phys. Rev. A. 1972. V. 6. № 3. P. 1255–1257. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.6.1255.3

4. Bol'shov L.A., Likhanskii V.V. Influence of detuning from resonance on the instability of coherent light pulses in absorbing media [in Russian] // ZETF. 1978. V. 75. № 6. P. 2047–2053.

5. Egorov V.S., Reutova N.M. Characteristics of coherent propagation of a superradiant pulse through an optically dense resonantly absorbing medium // Opt. and Spectrosс. 1989. V. 66. № 6. P. 716–718.

6. Kozlov V.V., Fradkin E.E. Theory of self-induced transparency in a focused light beam [in Russian] // Pis'ma Zh. Eksp. Teor. Fiz. 1991. V. 54. № 5. P. 266–269.

7. Egorov V.S., Fradkin E.E., Kozlov V.V., et al. Supertransparency of a resonantly absorbing medium for short pulses with a nonplane wave front // Laser Phys. 1992. V. 2. P. 973.

8. Kozlov V.V., Fradkin E.E. Propagation of a threedimensional optical soliton in a resonant gaseous medium [in Russian] // ZETF. 1993. V. 103. P. 1902–1913.

10. Kozlov V.V., Fradkin E.E., Egorov V.S., et al. Supertransparency [in Russian] // ZETF. 1996. V. 110. P. 1688–1711.

13. Mattar F.P., Forster G., Toschek P.E. Coherent on-resonance self-focusing of optical pulses // Sov. J. Quant. Electron. 1978. V. 8. P. 1032. https://doi.org/10.1070/QE1978v008n08ABEH010605

14. Arkhipov R.M., Arkhipov M.V., Egorov V.S., et al. Radiation of a resonant medium excited by a periodically phase-modulated laser in the regime of strong coupling between the field and the matter // Opt. and Spectrosc. 2019. V. 127. № 6. P. 1062–1069. http://dx.doi.org/10.1134/S0030400X19120038

15. Arkhipov R.M., Arkhipov M.V., Egorov V.S., et al. The new ultra high-speed all-optical coherent streak-camera // J. Phys.: Conf. Ser. 2015. V. 643. P. 012029. http://dx.doi.org/10.1088/1742-6596/643/1/012029