Статистика флуктуаций энергий импульсов генерации твердотельного лазера на вынужденном комбинационном рассеянии

Чулков Р. В.; Корожан О. П.; Орлович В. А.

Статистика флуктуаций энергий импульсов генерации твердотельного лазера на вынужденном комбинационном рассеянии

Чулков Р. В., Корожан О. П., Орлович В. А.

2020

https://doi.org/10.29235/1561-2430-2020-56-4-459-469

Приводятся результаты исследования статистики флуктуаций энергий импульсов генерации ВКРлазера с оптической накачкой многомодовыми импульсами наносекундной длительности. Методами численного моделирования системы связанных дифференциальных уравнений для медленно меняющихся амплитуд поля накачки и первых трех стоксовых компонент, выполненных с учетом пространственной неоднородности пучка накачки, спонтанных шумов и оптической обратной связи, обнаружено резкое увеличение амплитуды флуктуаций в нелинейном режиме ВКР-преобразования при согласовании оптической длины резонатора ВКР-лазера с длиной резонатора многомодового лазера накачки. Так, при средней эффективности преобразования в излучение 1-й стоксовой компоненты 3,5–3,8 % расчеты показали возрастание коэффициента вариации (КВ) случайной величины с 9 до 118 %. В линейном режиме ВКР-преобразования, когда эффективность преобразования составляет 0,2–0,03 %, предсказано дальнейшее увеличение значения КВ до 270–500 %. Численно показано, что статистика флуктуаций в условиях согласования длин резонаторов является существенно негауссовой и описывается распределениями плотности вероятности (РПВ) L-вида с максимумами, расположенными вблизи нуля и длинными хвостами. Результаты расчетов количественно подтверждены экспериментом для ВКР-лазера на кристалле нитрата бария в припороговых условиях его работы, когда эффективность преобразования в излучение 1-й стоксовой компоненты не превышала 0,3 %. Резонатор такого лазера был сформирован двумя плоскими зеркалами, обеспечивающими конфигурацию двухпроходной накачки. При возбуждении ВКР-лазера линейно-поляризованными импульсами 2-й гармоники Nd:АИГлазера длительностью 7–8 нс реализован режим работы первого, характеризуемый гиперэкспоненциальными РПВ с КВ, достигающими 480 %, что в 2–2,5 раза превышает их значения для условий однопроходного ВКР.

Чулков Р. В., Корожан О. П., Орлович В. А. Статистика флуктуаций энергий импульсов генерации твердотельного лазера на вынужденном комбинационном рассеянии. Известия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-математических наук. 2020;56(4):459–469. https://doi.org/10.29235/1561-2430-2020-56-4-459-469

Цитирование

Список литературы

1. Walker, D. A. G. The shape of large surface waves on the open sea and the Draupner New Year wave / D. A. G Walker, P. H Taylor., R. E Taylor // Appl. Ocean Res. – 2004. – Vol. 26, № 3/4. – P. 73–83. https://doi.org/10.1016/j.apor2005.02.001

2. Statistics of Extreme Events with Application to Climate / H. Abarbanel [et al.] // JASON. – 1992. – JSR-90-30S. https://doi.org/10.1016/j.apor.2005.02.001

3. Alvarado, E. Modeling Large Forest Fires as Extreme Events / E. Alvarado, D. V. Sandberg, S. G. Pickford // Northwest Sci. – 1998. – Vol. 72. – P. 66–75.

4. Embrechts, P. Statistical Methods for Extremal Events / P. Embrechts, C. Klüppelberg, T. Mikosch // Modelling extremal events for insurance and finance. – Berlin: Spring Verlag, 1997. – P. 283–370. https://doi.org/10.1007/978-3-642-33483-2

5. Collision prediction in roundabouts: a comparative study of extreme value theory approaches / F. Orsini [et al.] // Transportmetrica A: Transport Science. – 2019. – Vol. 15, № 2. – P. 556–572. https://doi.org/10.1080/23249935.2018.1515271

6. Carreras, B. A. North American Blackout Time Series Statistics and Implications for Blackout Risk / B. A. Carreras, D. E. Newman, I. Dobson // IEEE Trans. Power Syst. – 2016. – Vol. 31, № 6. – P. 4406–4414. https://doi.org/10.1109/TPWRS.2015.2510627

7. Extreme Value Based Estimation of Critical Single Event Failure Probability [Electronic Resource] / G. I. Zebrev [et al.] // arXiv. – 2019. – Mode of access: https://arxiv.org/abs/1909.07804v1

8. Optical rogue waves/ D. R Solli [et al.] // Nature. – 2007. – Vol. 450, № 7172. – P. 1054–1058. https://doi.org/10.1038/nature06402

9. Spatiotemporal Rogue Events in Optical Multiple Filamentation / S. Birkholz [et al.] // Phys. Rev. Let. – 2013. – Vol. 111, № 24. – P. 243903. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.111.243903

10. Optical rogue wave statistics in laser filamentation / J. Kasparian [et al.] //Opt. Expr. – 2009. – Vol. 17, № 14. – P. 1270–1275. https://doi.org/10.1364/OE.17.012070

11. Non-Gaussian statistics and extreme waves in a nonlinear optical cavity / A. Montina [et al.] // Phys. Rev. Let. – 2009. – Vol. 103, № 17. – P. 173901. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.103.173901

12. Hammani, K. Emergence of extreme events in fiber-based parametric processes driven by a partially incoherent pump wave / K. Hammani, C. Finot, G. Millot // Opt. Lett. – 2009. – Vol. 34, № 8. – P. 1138–1140. https://doi.org/10.1364/OL.34.001138

13. Soto-Crespo, J. M. Dissipative rogue waves: extreme pulses generated by passively mode-locked lasers / J. M. Soto-Crespo, Ph. Grelu, N. Akhmediev // Phys. Rev. E. – 2011. – Vol. 84, № 1. – P. 016604. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.84.016604

14. MacPherson, D. C. Quantum Fluctuations in the Stimulated-Raman-Scattering Linewidth / D. C. MacPherson, R. C. Swanson, J. L. Carlsten // Phys. Rev. Lett. – 1988. – Vol. 61, № 1. – P. 66–69. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.61.66

15. Raymer, M. G. Temporal quantum fluctuations in stimulated Raman scattering: Coherent-modes description / M. G. Raymer, Z. W. Li, I. A. Walmsley // Phys. Rev. Lett. – 1989. – Vol. 63, № 15. – P. 1586–1589. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.63.1586

16. Control of transverse spatial modes in transient stimulated Raman amplification / M. D. Duncan [et al.] // J. Opt. Soc. Am. B. – 1990. – Vol. 7, № 7. – P. 1336–1345. https://doi.org/10.1364/JOSAB.7.001336

17. Hammani, K. Extreme statistics in Raman fiber amplifiers: From analytical description to experiments / K. Hammani, A. Picozzi, C. Finot // Opt. Commun. – 2011. – Vol. 284, № 10/11. – P. 2594–2603. https://doi.org/10.1016/j.optcom.2011.01.057

18. Aalto, A. Extreme-value statistics in supercontinuum generation by cascaded stimulated Raman scattering / A. Aalto, G. Genty, J. Toivonen // Opt. Expr. – 2010. – Vol. 18, № 2. – P. 1234–1239. https://doi.org/10.1364/OE.18.001234

19. Monfared, Y. E. Ponomarenko S.A. Non-Gaussian statistics and optical rogue waves in stimulated Raman scattering / Y. E. Monfared, S. A. Ponomarenko // Opt. Expr. – 2017. – Vol. 25, № 6. – P. 5941–05950. https://doi.org/10.1364/OE.25.005941

20. Fabricius, N. Macroscopic Manifestation of Quantum Fluctuations in Transient Stimulated Raman Scattering / N. Fabricius, K. Nattermann, D. von der Linde // Phys. Rev. Lett. – 1984. – Vol. 52, № 2. – P. 113–116. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.52.113

21. Walmsley, I. A. Observation of Macroscopic Quantum Fluctuations in Stimulated Raman Scattering / I. A. Walmsley, M. G. Raymer // Phys. Rev. Lett. – 1983. – Vol. 50, № 13. – P. 962–965. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.50.962

22. Raymer, M. G. III The quantum coherence properties of stimulated Raman scattering / M. G. Raymer, I. A. Walmsley // Progr. Opt. 1990. – Vol. 28. – P. 247–255. https://doi.org/10.1016/S0079-6638(08)70290-7

23. Statistical characteristics of the energies of pulses of forward and backward stimulated Raman scattering under linear, intermediate, and nonlinear scattering conditions / P. A. Apanasevich [et al.] // Sov. J. of Quant. Electron. – 1992. – Vol. 22, N9. – P. 822–827. https://doi.org/10.1070/qe1992v022n09abeh003607

24. Grabtchikov, A. S. Pulse-energy statistics in the linear regime of stimulated Raman scattering with a broad-band pump / A. S. Grabtchikov, A. I. Vodtchits, V. A. Orlovich // Phys. Rev. A. – 1997. – Vol. 56, № 2. – P. 1666–1669. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.56.1666

25. Borlaug, D. Extreme Value Statistics in Silicon Photonics / D. Borlaug, S. Fathpour, B. Jalali // IEEE Phot. J. – 2009. – Vol. 1, № 1. – P. 33–39. https://doi.org/10.1109/JPHOT.2009.2025517

26. Increased Stokes pulse energy variation from amplified classical noise in a fiber Raman generator / A. Betlej [et al.] // Opt. Expr. – 2005. – Vol. 13б № 8. – P. 2948–2960. https://doi.org/10.1364/OPEX.13.002948

27. First Stokes pulse energy statistics for cascade Raman generation in optical fiber / J. Chang [et al.] // Opt. Commun. – 1997. – Vol. 139б № 4/6. – P. 227–231. https://doi.org/10.1016/S0030-4018(97)00060-6

28. Headley, C. Noise Characteristics and Statistics of Picosecond Stokes Pulses Generated in Optical Fibers Through Stimulated Raman Scattering / C. Headley, G. P. Agrawal // IEEE J. Quant. Electr. – 1995. – Vol. 31, № 11. – P. 2058-2067. https://doi.org/10.1109/3.469288

29. Physical, chemical, and optical properties of barium nitrate Raman crystal / P. G. Zverev [et al.] // Opt. Mater. – 1999. – Vol. 11, № 4. – P. 315–334. https://doi.org/10.1016/S0925-3467(98)00031-7

30. Self-mode locking at multiple Stokes generation in the Raman laser / V. A. Lisinetskii [et al.] // Opt. Commun. – 2010. – Vol. 283, № 7. – P. 1454–1458. https://doi.org/10.1016/j.optcom.2009.11.047

31. Battle, P. R. Quantum limit on noise in a Raman amplifier / P. R. Battle, R. C. Swanson, J. L. Carlsten // Phys. Rev. A. – 1991. – Vol. 44, № 3. – P. 1992–1930. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.44.1922

32. Карамзин, Ю. Н. Математическое моделирование в нелинейной оптике / Ю. Н. Карамзин, А. П. Сухоруков, В. А. Трофимов. – М.: Изд-во Моск. ун-та, 1989. – 154 с.

33. Steady-state Raman gain coefficients of potassium-gadolinium tungstate at the wavelength of 532 nm. / R. V. Chulkov [et al.] // Opt. Mater. – 2015. – Vol. 50. – P. 92–98. https://doi.org/10.1016/j.optmat.2015.10.004

34. Raman gain coefficient of barium nitrate measured for the spectral region of Ti:Sapphire laser / V. A. Lisisnetskii [et al.] // J. Nonlin. Opt. Phys. & Mater. – 2005. – Vol. 14, № 1. – P/ 107–114. https://doi.org/10.1142/s0218863505002530

35. Cavity length matching and optical resonances in a Raman laser with the multimode pump source / R. V. Chulkov [et al.] // Opt. Let. – 2017. – Vol. 42, № 23. – P. 4824–4827. https://doi.org/10.1364/OL.42.004824

36. Statistical characteristics of the pulse energies for forward and backward SRS in linear, intermediate, and nonlinear scattering modes / P. A. Apanasevich [et al.] // Quant. Electron. – 1992. – Vol. 19. – P. 884–890.

Источник

Информация

Автор

Чулков Р. В. Институт физики им. Б. И. Степанова Национальной академии наук Беларуси
Корожан О. П. Институт физики им. Б. И. Степанова Национальной академии наук Беларуси
Орлович В. А. Институт физики им. Б. И. Степанова Национальной академии наук Беларуси

Страницы

459–469

Год издания

2020

Ключевые слова

Коллекции

Известия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-математических наук