Аннотации (05.2023) : Одновременная генерация N когерентных импульсов с различной площадью при самодифракции в парах 87Rb

Одновременная генерация N когерентных импульсов с различной площадью при самодифракции в парах 87Rb

DOI: 10.17586/1023-5086-2023-90-05-41-49

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. Процесс самодифракции резонансного импульса в плотной протяженной резонансной среде, приводящий к угловой развертке выходящего излучения и последовательному излучению большой серии из N импульсов с переменной площадью в диапазоне (–3p … 0 … 3p). Импульсы излучаются из малой области фокусировки (0,1–1 мм) импульса накачки в плотной протяженной резонансной среде. Длина волны импульсов соответствует резонансному переходу D₂ ⁸⁷Rb (длина волны 780,24 нм). Цель работы. Исследование нелинейного эффекта самодифракции лазерного импульса с цилиндрическим волновым фронтом в протяженной резонансной среде паров рубидия с целью разработки новых устройств резонансной радиофотоники с помощью лазерных методов обработки сигналов в диапазоне сверхвысокочастотного спектра. Метод. В каустике сфокусированного пучка лазерного импульса накачки с цилиндрическим волновым фронтом создается поперечный пространственный профиль напряженности электрического поля специальной формы f(x). Импульс накачки должен иметь сходящийся (например цилиндрический) волновой фронт. Для создания произвольного профиля f(x) могут быть применены разработанные авторами компьютерные синтезированные голограммы. Основные результаты. Исследован эффект самодифракции импульса накачки, сопровождающийся процессом излучения серии из N когерентных резонансных импульсов с различной площадью в диапазоне (–3p … 0 … 3p) из короткой области фокусировки (0,1–1 мм) резонансного лазерного импульса накачки. При самодифракции импульса накачки число излучаемых импульсов с различной площадью достигало 16. Наблюдалось распределение импульсов серии по углу дифракции в диапазоне углов от –5° до +4°, под определенными углами — нелинейная генерация 0p-импульсов. Показано, что описанный способ нелинейной генерации 0p-импульсов на короткой длине взаимодействия света и резонансной среды предложен впервые. Практическая значимость. Полученные результаты исследования эффекта самодифракции резонансного импульса с поперечным пространственным профилем f(x) послужат основой для разработки прототипов устройств в задачах обработки и управления оптическими сигналами с использованием лазерных диодов малой мощности.

Ключевые слова: самодифракция, площадь импульса, радиофотоника, 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. Одновременная генерация N когерентных импульсов с различной площадью при самодифракции в парах ⁸⁷Rb // Оптический журнал. 2023. Т. 90. № 5. С. 41–49. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-05-41-49

Коды OCIS: 230.1150, 050.1970, 090.2890

Simultaneous generation of N coherent pulses of various areas under the self-diffraction in ⁸⁷Rb vapours

Sergey N. Bagaev¹, Igor B. Mekhov², Igor A. Chekhonin³^*, and 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. The process of self-diffraction of a resonant pulse in a dense extended resonant medium was studied for the first time, which leads to an angular deflection of the output radiation and sequential emission of a large series of N pulses with a variable area in the range (–3p … 0 … 3p). The pulses are emitted from a small focusing region (0.1–1 mm) of the pump pulse in a dense extended resonant medium. The pulse wavelength corresponds to the resonant transition D₂ ⁸⁷Rb (wavelength 780.24 nm). Aim of study is to study the nonlinear effect of self-diffraction of a laser pulse with a cylindrical wave front in an extended resonant medium of rubidium vapor with the aim of developing new resonant microwave photonics devices using laser signal processing methods in the microwave 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 f(x) is created. The pump pulse must have a converging (for example, cylindrical) wave front. The computer synthesized holograms developed by us can be used to create an arbitrary f(x) profile. Main results. The effect of self-diffraction of a pump pulse, which is accompanied by the process of emission of a series of N coherent resonant pulses with different areas in the range (–3p … 0 … 3p) from a short focusing region (0.1–1 mm) of a resonant laser pump pulse, is studied. With self-diffraction of the pump pulse, the number of emitted pulses with different areas reached 16. The distribution of series pulses over the diffraction angle was observed in the range of angles from –5° to +4°. At certain angles, nonlinear generation of 0p-pulses was observed. It is shown that the described method of nonlinear generation of 0p-pulses over a short interaction length between light and a resonant medium has been proposed for the first time. Practical significance. The obtained results of studying the effect of self-diffraction of a resonant pulse with a transverse spatial profile f(x) will serve as the basis for the development of prototype devices for signal processing problems using low-power laser diodes.

Keywords: self-diffraction, pulse area, quantum microwave photonics, 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., and Chekhonin M.A. Simultaneous generation of n coherent pulses of various areas under the self-diffraction in ⁸⁷Rb vapours [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2023. V. 90. № 5. P. 41–49. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-05-41-49

OCIS сodes: 230.1150, 050.1970, 090.2890

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ

1. Sarantos C.H., Heebner J.E. Solid-state ultrafast all-optical streak camera enabling high-dynamic-range picosecond recording // Opt. Lett. 2010. V. 35. № 9. P. 1389–1391. https://doi.org/10.1364/OL.35.001389

2. 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

3. 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

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

5. Carvalho A.J.A., Moreira R.S.N., Ferraz J., et al. Enhanced absorption of weak ultrashort light pulses by a narrowband atomic medium // Phys. Rev. A. 2020. V. 101. P. 053426. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.101.053426

6. Dudovich N., Oron D., Silberberg Y. Coherent transient enhancement of optically induced resonant transitions // Phys. Rev. Lett. 2002. V. 88. P. 123004. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.88.123004

7. Dudovich N., Dayan B., Gallagher Faeder S.M., et al. Transform-limited pulses are not optimal for resonant multiphoton transitions // Phys. Rev. Lett. 2001. V. 86. P. 47. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.86.47

8. Lozovoy V.V., Dantus M. Systematic control of nonlinear optical processes using optimally shaped femtosecond pulses (review) // Chem. Phys. Chem. 2005. V. 6. P. 1970–2000. https://doi.org/10.1002/cphc.200400342

9. 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

10. Bagayev S.N., Arkhipov R.M., Arkhipov M.V., et al. Polariton condensation, superradiance and difference combination parametric resonance in mode-locked laser // J. Phys.: Conf. Ser. 2017. V. 917. P. 062028 (1–6). https://doi.org/10.1088/1742-6596/917/6/062028

11. Crisp M.D. Distortionless propagation of light through an optical medium // Phys. Rev. Lett. 1969. V. 22. № 16. P. 820–823. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.22.820

12. Crisp M.D. Propagation of small-area pulses of coherent light through a resonant medium // Phys. Rev. A. 1970. V. 1. № 6. P. 1604–1611. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.1.1604

13. Rothenberg J.E., Grischkowsky D., Balant A.C. Observation of the formation of the 0p pulse // Phys. Rev. Lett. 1984. V. 53. № 6. P. 552–555. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.53.552

14. Costanzo L.S., Coelho A.S., Pellegrino D., et al. Zero-area single-photon pulses // Phys. Rev. Lett. 2016. V. 116. P. 023602. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.116.023602

15. Specht H., Bochmann J., Mücke M., et al. Phase shaping of single-photon wave packets // Nature Photon. 2009. V. 3. P. 469–472. https://doi.org/10.1038/nphoton.2009.115

16. Monmayrant A., Weber S., Chatel B. A newcomer’s guide to ultrashort pulse shaping and characterization // J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 2010. V. 43. P. 103001. http://dx.doi.org/10.1088/0953-4075/43/10/103001

17. Silberberg A. Quantum coherent control for nonlinear spectroscopy and microscopy (review) // Annu. Rev. Phys. Chem. 2009. V. 60. P. 277–292. https://doi.org/10.1146/annurev.physchem.040808.090427

References

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

8. Lozovoy V.V., Dantus M. Systematic control of non-linear optical processes using optimally shaped femtosecond pulses (review) // Chem. Phys. Chem. 2005. V. 6. P. 1970–2000. https://doi.org/10.1002/cphc.200400342

9. 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. Spectrosс. 2019. V. 127. № 6. P. 1062–1069. http://dx.doi.org/10.1134/S0030400X19120038

11. Crisp M.D. Distortionless propagation of light through an optical medium // Phys. Rev. Lett. 1969. V. 22. № 16. P. 820–823. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.22.820

12. Crisp M.D. Propagation of small-area pulses of coherent light through a resonant medium // Phys. Rev. A. 1970. V. 1. № 6. P. 1604–1611. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.1.1604

13. Rothenberg J.E., Grischkowsky D., Balant A.C. Observation of the formation of the 0p pulse // Phys. Rev. Lett. 1984. V. 53. № 6. P. 552–555. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.53.552

14. Costanzo L.S., Coelho A.S., Pellegrino D., et al.Zero-area single-photon pulses // Phys. Rev. Lett. 2016. V. 116. P. 023602. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.116.023602

15. Specht H., Bochmann J., Mücke M., et al. Phase shaping of single-photon wave packets // Nature Photon. 2009. V. 3. P. 469–472. https://doi.org/10.1038/nphoton.2009.115

18. Chen L., Zhu W., Huo P., et al. Synthesizing ultrafast optical pulses with arbitrary spatiotemporal control // Sci. Advances. 2022. V. 8. № 43. http://dx.doi.org/10.1126/sciadv.abq8314