IP-телефоны М И Ф И (кафедра 70)
М И Ф И НАШИ КООРДИНАТЫ

Нелинейная оптика и
волоконно-оптические датчики

Открытие солитонов
Тихим безветренным вечером, когда не колышется ни один стебелек, и на водной глади озер нет никакой ряби, английский изобретатель Скотт Рассел совершал верховую прогулку около одного из бесчисленных каналов в окрестности Эдинбурга. Рассел занимался проектированием барж для компании, управлявшей каналами Эдинбурга, он много экспериментировал в каналах и реках, изучал приливные волны в заливах Шотландии. В саду его дома был бассейн, в котором Рассел проводил измерения гидродинамического сопротивления различных тел с целью определения наиболее удачной обтекаемой формы корпуса корабля. Так что его голова постоянно была занята мыслями о движении судна и о его взаимодействии с водой. Вот и сейчас его внимание привлекла баржа, которую тянула на буксире пара лошадей, идущих по противоположному берегу канала. Внезапная остановка лошадей привела к совершенно необъяснимому событию - вот что написал об этом Рассел: "Я наблюдал за движением баржи, которую быстро тащила вдоль узкого канала пара лошадей, когда внезапно баржа остановилась - вся масса воды в канале пришла в движение, вода собралась у носа корабля в состоянии бурного волнения, затем вдруг оторвалась от него и покатилась с большой скоростью, приняв вид большого уединенного возвышения; округлый, гладкий, четко выраженный холм воды продолжал свое движение по каналу без видимого изменения формы или уменьшения скорости. Я бросился за этой волной верхом на лошади и догнал ее, когда она все еще двигалась со скоростью около восьми или девяти миль в час, сохраняя первоначальную форму, и имела около тридцати футов в длину и от фута до полутора футов в высоту. Ее высота постепенно уменьшалась, и после одной или двух миль погони я потерял ее в изгибах канала. Так в августе месяце 1834 г. произошла моя первая случайная встреча с этим необыкновенным и прекрасным явлением, которое я назвал "Волной Переноса" ".
Привычной картиной является распространение гармонических волн, скажем, на воде обычно распространяется бегущая волна из-за брошенного камня. А тут Рассел пишет об "уединенной волне", отличительной особенностью которой является то, что она полностью располагается над поверхностью воды (обычная волна распространяется частично ниже, а частично выше поверхности), что после ее прохождения никакой ряби на воде не остается и что она движется со скоростью, отличной от скорости обычной волны.
Поскольку наблюдать в естественных условиях волну переноса можно не часто (на ее появление влияет многое: скорость и масса движения тела, глубина канала, вязкость жидкости и т. д.), то свои наблюдения Рассел перенес в бассейн, искусственно создавая условия для ее возникновения. С помощью перегородки в одном из концов длинного и узкого бассейна-канала глубиной h уровень воды приподнимался на величину S. Затем перегородка резко выдвигалась, вследствие чего возникала колоколообразная волна, двигающаяся вдоль бассейна и напоминающая собой волну переноса. Меняя значения h и S, экспериментатору удавалось наблюдать не только одногорбую, но и двугорбую уединенную волну. Рассел экспериментально установил: сразу после прохождения одногорбой или двугорбой уединенной волны жидкость возвращается в исходное (спокойное) состояние, никакой ряби в бассейне-канале не наблюдается. Отсюда следовало такое главное свойство "волны переноса": энергия, передаваемая жидкости, не рассеивается, не "размазывается" по всей поверхности, поскольку рябь отсутствует, а сосредоточивается в устойчиво распространяющейся уединенной волне. Поймав такую волну в конце ее движения в канале с помощью второй, резко опускаемой перегородки, можно было зафиксировать, что первоначально пущенное в канал дополнительное количество жидкости полностью достигает его. Следовательно, заключил Рассел, импульс в процессе переноса локализован. Как обычно случается в научном мире, идеи, высказанные Расселом о распространении уединенной волны, были встречены с недоверием. Поначалу мало кто из научных светил той поры допускал распространение волны неизменной формы, расположенной выше уровня жидкости.
В дальнейшем волна переноса стала стержнем научной жизни Рассела, его, как полагают некоторые биографы, наваждением. Многие явления в природе он стал рассматривать в рамках развитой им теории уединенной волны, используя ее для вычисления толщины атмосферы Земли и даже размеров Вселенной.
Еще при жизни Рассела появились работы, подтверждающие его идеи об уединенной волне. Однако полное теоретическое объяснение открытия Рассела относится к 1895 г., т. е. спустя 60 лет после описанной нами верховой прогулки вдоль канала под Эдинбургом. Первыми теорию уединенной волны разработали два голландских ученых Кортевег и де Фриз. Выведенное и решенное ими нелинейное дифференциальное уравнение в частных производных и дало точный ответ: при определенных условиях на мелкой воде возможно существование устойчивой уединенной волны. Этому уравнению присвоили имя его авторов: Кортвега и де Фриза. Позднее, в 1965г. Мартин Крускал, делая доклад о свойствах уединенных волн Кортевега и де-Фриза, придумал им название - солитоны.
В дальнейшем был исследован целый класс уравнений, описывающих различные физические процессы (например, нелинейное уравнение Шредингера для электронов плазмы, уравнение Буссинеска в гидродинамике), которые обладают свойствами полной интегрируемости - имеют бесконечный набор коммутирующих интегралов движения. Их частные решения - солитоны во многом ведут себя подобно классическим частицам: они сталкиваются между собой, взаимодействуют с возмущениями, не меняя своей формы; могут образовывать связные состояния.

Теория нелинейных волн и оптические солитоны
Одной из целей современной оптики является построение полностью оптических приборов, в которых свет может быть использован для управления светом. В последнее время значительно возрастает интерес к оптическим эффектам в объемной нелинейной среде, возникающим при взаимодействии уединенных волн. Этот интерес стимулирован, с одной стороны, успешными экспериментами, в которых получены устойчивые локализованные световые структуры, или многомерные оптические солитоны, а с другой стороны появлением новых материалов, являющихся перспективными для построения полностью оптических переключателей. Наряду с этим исследование взаимодействия пространственных солитонов (световых пучков в состоянии самоканалирования), а так же изучение устойчивости и взаимодействия пространственно- временных солитонов (световых пуль), до сих пор представляет интересную самостоятельную задачу.
Важным направлением в теории взаимодействия уединенных оптических волн является исследование связанных состояний световых солитонов. Новым эффектом в этой области является эффект пространственного вращения пучков по мере распространения в нелинейной среде, получивший в литературе название "спиралинг". Эффект наблюдался экспериментально и исследовался теоретически.
Применение традиционных материалов с нелинейностью третьего порядка для реализации взаимодействия уединенных волн является неэффективным из-за неустойчивости многомерных оптических солитонов в такой среде. Прогресс в этой области достигается благодаря использованию фоторефрактивных материалов, либо материалов с квадратичной или насыщающейся нелинейностью. Новые возможности предоставляют активно изучаемые в настоящее время органические кристаллы, в частности, так называемый PTS (P- toluene sulfonate) кристалл, проявляющий фокусирующую керровскую и дефокусирующую нелинейность пятого порядка. В такой среде можно изучать особенности образования и взаимодействия оптических солитонов.
Некоторое время назад началось изучение связанные состояния многомерных оптических солитонов в среде с нелинейностью третьего и пятого порядков. Недавно в численном эксперименте обнаружено, что в такой среде пучки с кольцевым распределением поля, или вихри, проявляют устойчивость при поперечных взаимодействиях. Устойчивость вихрей позволила предположить существование и устойчивость нового физического объекта - световой пули с кольцевым распределением поля в поперечном сечении, так называемого "спин- солитона".
Проводится исследование динамики ультракоротких импульсов (УКИ) электромагнитного излучения, распространяющихся в нелинейной диэлектрической среде. Здесь получены точные решения редуцированных уравнений Максвелла-Блоха, описывающие как однополярные, так и биполярные импульсы, переходящие в квазигармонические волны в пределах больших длительностей. Показана возможность получения двухимпульсной структуры отраженного УКИ, квантования энергии отраженной волны, управления временем задержки импульса сверхизлучения при изменении амплитуды, фазовой модуляции и угла падения падающего УКИ. Получены результаты, касающиеся самокомпрессии импульсов, использующиеся для расчетов параметров полностью волоконных компрессоров световых импульсов. Численное моделирование процесса распространения УКИ показало, что столкновение двух стационарных импульсов не приводит к их разрушению. Было найдено, что более мощные импульсы (отличные от стационарных) распадаются на ряд отдельных, движущихся со своей скоростью, импульсов, которые сохраняли свою индивидуальность в пределах того расстояния, на которое было проведено численное интегрирование уравнений системы.
Одним из первых наблюдавшихся нелинейно-оптических эффектов была генерация второй гармоники. Нами был проведен анализ генерации второй гармоники в поле УКИ при распространении в квадратично-нелинейных средах. Генерация второй гармоники рассматривалась с учетом влияния дисперсии групповых скоростей второго и третьего порядков и дисперсии нелинейной восприимчивости до второго порядка. Найдены два новых решения, описывающих стационарную эволюцию уединенных волн накачки и гармоники в области как аномальной, так и нормальной дисперсии групповых скоростей. Рассмотрена модуляционная неустойчивость решений системы уравнений, описывающих генерацию второй гармоники ультракоротким импульсом накачки.

Экспериментальные исследования
Важной задачей в оптике пико- и фемтосекундных импульсов является разработка методов изерения параметров таких коротких сигналов. Нами был разработан метод для экспрессного измерения длительности одиночных импульсов пикосекундного лазера и пространственного распределения энергии излучения. Метод применен для определения стабильности и воспроизводимости временных и пространственных параметров излучения пикосекундных лазеров с пассивной синхронизацией мод.
Одним из современных направлений нелинейной оптики является изучение различных процессов в поле фемтосекундных лазерных импульсов. В лаборатории кафедры были проведены эксперименты по изучению нелинейно-оптических свойств веществ. Показано, что метод продольного сканирования с пикосекундным временным разрешением может успешно применяться для изучения нелинейности третьего порядка в материалах, обладающих фоторефрактивной чувствительностью. Результаты исследования кинетики релаксации нелинейности в LiNbO3 показали, что при использование пикосекундных импульсов удается разделить вклады керровского и фоторефрактивного механизмов в суммарную нелинейность третьего порядка.
Проведено исследование нелинейно-оптических и релаксационных свойств тонких металлофуллереновых пленок на основе C60 при пикосекундном лазерном возбуждении. Применение пикосекундных лазерных импульсов для исследования нелинейно-оптических свойств фуллеренов позволяет исключить влияние более медленных механизмов (тепловой и электрострикционный) на измеряемые величины нелинейности. Измерения проводились методом продольного сканирования при возбуждении лазерными импульсами пикосекундной длительности. Было обнаружено, что добавление атомов некоторых металлов к C60 может приводить к существенным изменениям в нелинейно-оптическом отклике полученной описываемым способом металлофуллереновой пленки по сравнению с пленкой C60. Полученные результаты подтверждают предположение о том, что при возбуждении импульсами пикосекундной длительности доминирующий вклад в суммарную нелинейность вносит механизм двухфотонного поглощения. Сравнение результатов нелинейно-оптических измерений защищенных и незащищенных пленок фуллерена методом продольного сканирования показало, что сверхтонкий слой кремния не оказывает существенного влияния на нелинейные поглощение и рефракцию плёнок C60. В то же время зарегистрирована стабилизация оптических и других свойств защищенных пленок по отношению к реальным атмосферным условиям. В изготовленных металлофуллереновых плёнках наблюдалась характерная кривая релаксации нелинейного поглощения, индуцированного пикосекундным лазерным импульсом, с постоянной времени порядка 300 пс.
Интегральная и волоконная оптика представляют пример развивающихся в настоящее время разделов современной прикладной оптики. Были проведены исследования явлений, протекающих при распространении излучения в волоконных световодах. Предложена методика, заключающаяся в использовании волоконного жгута в качестве формирователя пространственного распределения излучения. Предложенная идея была экспериментально проверена на различных типах волоконных световодов (ВС), что позволило определить параметры, подлежащие оптимизации при выборе ВС. Оказалось, что необходимым требованиям вполне удовлетворяет световодный упорядоченный вибродоуложенный жгут (например, ОС-БХ-1-5-250) для передачи сигнала без изменения цветности. Многомодовое волокно позволило также обеспечить высокую эффективность ввода излучения многомодового лазерного источника.
Экспериментально исследовано преобразование, фильтрация и возбуждение поверхностных световых волн в планарных и полосковых тонкопленочных волноводах на брэгговских дифракционно-решетчатых структурах, сформированных за счет периодической модуляции показателя преломления материала самого волновода.
Проведен цикл исследований, связанный с разработкой физических принципов конструирования волоконно-оптических датчиков физических полей и направленный на разработку волоконно-оптического датчика микроускорений и микрогравитации для систем активной виброзащиты технологических модулей орбитальных станций; исследование эффекта оптической связи волоконных световодов и возможности применения этого явления в задачах определения содержания химических веществ в газовой среде; разработка комплекса волоконно-оптических датчиков на основе амплитудной модуляции и модуляции состояния поляризации для измерения параметров технологического цикла добычи и транспортировки газа; использование оптического волокна типа "двужильная ПАНДА" для измерения параметров вибрации машин и конструкций, а также температуры жидкости и газа; разработка новых методов использования волоконной оптики для контроля за физико-химическими процессами, протекающими в радиохимических отходах в местах их длительного складирования. Разработан волоконно-оптический датчик, предназначенный для исследования параметров физических полей, к числу которых относятся вибрация, микрогравитация, микроускорения, растяжение-сжатие, изгибные деформации упругой среды, оптические свойства диэлектрических сред. Датчик основан на эффекте туннельной связи одномодовых световодов.
Разработаны и экспериментально реализованы конструкции ряда волоконно-оптических датчиков на основе модуляции интенсивности оптического сигнала, отраженного от внешней поверхности. Во всех конструкциях датчиков использован один и тот же физический эффект - изменение интенсивности оптического излучения, отраженного от внешней поверхности и возвращенного после отражения в многомодовый волоконный световод. Перемещение внешней отражающей поверхности относительно торца многомодового волоконного световода вызывает модуляцию интенсивности излучения, возвращающегося обратно в световод. Внешняя отражающая поверхность может быть соединена с рабочим элементом датчика, подвергающегося воздействию измеряемой силы или поля физической величины. Полученные результаты исследования оптических и волоконно-оптических датчиков амплитудного и интерференционного типов, использующих в качестве чувствительного элемента оптическое волокно будут применены при проектировании приборов для измерения вариации силы тяжести и измерения микроускорений.
Разработана многоканальная волоконно-оптической система, предназначенная для измерения температуры и давления жидкости и газа. Действие системы основано сборе информации от пассивных волоконно-оптических датчиков давления и температуры на основе амплитудной модуляции излучения, принцип разделения каналов в системе основан на времени задержки светового импульса, возникающей благодаря различным длинам плеч каналов волоконной системы. Проведены исследования амплитудных волоконно-оптических датчиков температуры и давления с использованием отражения от подвижной мембраны.
Разработаны и получены тонкомерные материалы с эффектом памяти формы (ЭПФ) методом сверхбыстрой закалки расплава. Разработаны составы и освоена технология изготовления широкого спектра быстрозакаленных сплавов с ЭПФ на основе никелида титана. На их основе создан целый ряд термодатчиков, включая термореле, терморегуляторы, волоконно-оптический термодатчик.

WEB-МАСТЕРУ