Самомодуляция света – самоиндуцированная фазовая модуляция высокоинтенсивного ограниченного оптического излучения, распространяющегося в нелинейной среде. При наносекундном импульсе на входе уширение может достигать нескольких десятков обратных сантиметров, а при пикосекундном входном импульсе ширина спектра на выходе превышает несколько тысяч обратных сантиметров.

Механизм возникновения самомодуляции можно качественно описать при помощи модели взаимодействия нелинейного гармонического осциллятора и электромагнитного поля.  Рассмотрим фазировку нелинейного осциллятора внешним полем. Неизохронность нелинейного осциллятора в оптике приводит к тому, что частота осциллятора, возбужденного световым полем, зависит от интенсивности световой волны:

ω = ω(I).               (1)

Эта зависимость в свою очередь вызывает появление дополнительного фазового набега φ = ∫ω(t)dt, пропорционального интенсивности света.

φ = φ(I).                (2)

Таким образом, возникает возможность фазировки осциллятора внешним полем. Это обстоятельство принципиально отличает нелинейный осциллятор от обычного гармонического осциллятора. Описанная нелинейная фазировка осцилляторов приводит к эффектам самовоздействия мощных модулированных световых волн: самофокусировке пучков и самомодуляции импульсов.

Вследствие (1), (2), (3) частота и фаза колебаний осцилляторов, возбуждаемых импульсом, а также частота и фаза испускаемого осцилляторами вторичного излучения оказываются промодулированными во времени:

ω = ω(t),  φ = φ(t).

Таким образом, мощный световой импульс в нелинейной среде испытывает самомодуляцию. В некоторых случаях это может приводить к значительному уширению частотного спектра импульса. Подобный эффект имеет место, например, при распространении мощного короткого лазерного импульса в оптическом волокне.

 

 

Главный вопрос, касающийся самомодуляции импульсов, это управление фазой световой волны. Технику управления фазой в пространстве оптика освоила, по существу, еще в прошлом веке. Необходимое для генерации предельно коротких импульсов быстрое управление фазой во времени — достижение последних лет. Для ее реализации надо располагать, очевидно, системами с быстро изменяющимися во времени параметрами. Поскольку в пределе речь идет об изменениях со временем порядка периода световых колебаний, наиболее перспективный путь решения задачи — это управление самой световой волной, основанное на использовании быстрой оптической нелинейности. При самомодуляции импульса, которая может происходить, например, в оптическом волокне, резко расширяется частотный спектр импульса, что дает возможность путем последующей компрессии получать предельно короткие световые импульсы. Данный эффект используется в системах генерации фемтосекундных лазерных импульсов. Следует отметить, что обсуждаемые принципы имеют глубокие аналогии в классической оптике волновых пучков. Так, задача о генерации цуга коротких импульсов за счет суперпозиции синхронизованных дискретных мод аналогична классической задаче о дифракции плоской волны на амплитудной решетке. Сжатие фазово-модулированного сигнала дисперсионным элементом (оптическим компрессором) — это временной аналог пространственной фокусировки пучка с помощью линзы.

Для получения предельно коротких световых импульсов используют принцип фазировки спектральных компонент света. Фазировка спектральных компонент позволяет одновременно укоротить световой импульс и резко увеличить его пиковую мощность. При этом предел длительности импульса устанавливается спектральной шириной света:

Как видно из этой формулы, для получения предельно коротких световых импульсов, под огибающей которых укладывается всего лишь несколько периодов световых колебаний, необходимо иметь излучение, ширина спектра которого приближается к несущей частоте.

Хотя в принципе можно предложить способы фазировки компонент в спектре нелазерного источника света, такой подход оказывается весьма сложным и энергетически невыгодным. Поэтому исходное широкополосное излучение, фазировка компонент которого приводит к генерации коротких импульсов, получают при самовоздействиях или взаимодействиях лазерных импульсов в нелинейной среде. В этом случае речь идет о регулярном широкополосном световом пакете, фазовые соотношения в котором надо изменить.

Рис.1 иллюстрирует один из наиболее эффективных вариантов этой техники — компрессию фазово-модулированного импульса. Быстрая фазовая модуляция, расширяющая спектр, получается здесь за счет самовоздействия исходного импульса в среде с кубичной нелинейностью. Фазировка спектральных компонент, а следовательно и сжатие импульса, осуществляется в диспергирующей линии задержки (пара дифракционных решеток). Возможны и другие варианты метода, в которых для получения широких спектров используются трех- и четырехволновые нелинейные взаимодействия.

Принцип действия схемы, показанной на рис.1, можно пояснить как на основе спектральных представлений (фазировка спектральных компонент, синхронизация мод), так и непосредственно прослеживая трансформацию огибающей импульса, т. е. на временном языке. Тогда осуществляемую в этой схеме компрессию следует трактовать как результат "нагона" в диспергирующей линии задержки низкочастотных спектральных компонент, располагающихся на фронте импульса, высокочастотными компонентами, первоначально сгруппированными на его хвосте.