Введение к работе
Актуальность темы.
Развитие волоконной и интегральной оптики стимулировало разработку малогабаритных оптических устройств: фильтров, модуляторов, дефлекторов и т.д. В настоящее время достаточно полно разработаны принципы построегогя и создана широкая гамма гибридных: электро- и акустооптических элементов. Дальнейшее развитие когерентной оптики и систем оптической обработки информации, однако, обычно связывают с чисто оптическими линейными и нелинейными устройствами, которые, как показывают оценки, открывают путь к значительному сокращению габаритов приборов, уменьшению энергопотребления и повышению их быстродействия. Основный узлом большинства оптических приборов является резонатор. Наиболее часто применяемыми являются квазиодномерные резонаторы типа Фабри-Перо, однако, уменьшение их размеров сопровождается пропорциональным уменьшением добротности. В связи с этим, актуальным представляется поиск новых высокодобротных резонансных систем. Кроме того, с уменьшением размеров оптических резонаторов возрастает концентрация заключенной в них электромагнитной энергии и, соответственно, снижается порог проявления нелинейных эффектов различной природы, что открывает дополнительные возможности развития элементной базы современной квантовой электроники.
В экспериментальной физике и радиотехнике успешно применяются СВЧ-резонаторы, основанные на эффекте многократного полного вігутреішего отражения в аксиально-симметричных диэлектрических телах, - резонаторы с модами "шепчущей галереи" (ШГ).Их главной особенностью ; является высокая добротность,
-.4-
составляющая свыше 109 при окологелиевых температурах (лейкосап-фир, длина волны 1=3 см, диаметр резонатора D=10 см), которая ограничена СВЧ-поглощением . в материале. При уменьшении линейных размеров резонатора на три-четыре порядка к при использовании материала с достаточно малыми собственными потерями оказывается возможным создание высокодобротного оптического диэлектрического микрорезонатора (ОДМР) с такими модами. В оптическом диапазоне добротные колебания в микросферических диэлектрических телах неоднократно наблюдались в экспериментах по рассеянию лазерного излучения на каплях жидкостей и в аэрозолях, однако, о целенаправленных исследованиях мод ШГ в специально приготовленных твердотельных резонаторах ранее не сообщалось. Впервые оптические микрорезонаторы из плавленого кварца с модами шепчущей галереи с добротностью Q>5xl0 были продемонстрированы Брагинским и Ильченко в 1987 году. В то же время, измеренная величина оптического затухания в волоконных световодах и оценки величины других типов вероятных потерь указывают на возможность достижения значительно более высоких добротностей.
Во многих физических приложениях принципиальным является сочетание нелинейности и малого затухания (например создание бистабильных устройств или программа квантово невозмущающих измерений). Использование рассматриваемых микрорезонаторов представляет такую возможность.
Цель работы:
1. достижение максимально возможной добротности в оптических
микрорезонаторах и выяснение причин ее ограничивающих;
2. расчет и демонстрация эффективного способа связи с модами
шепчущей галереи; 3. исследование нелинейных эффектов в системе.
Научная новизна работы
Теоретически обоснован и продемонстрирован новый тип резонансной оптической системы - микрорезонаторы с модами типа шепчущей галереи (ШГ), обладающие уникальным сочетанием физических свойств: высокая добротность и резкость; малый физический и эффективный объем; низкий порог наблюдения нелинейных эффектов. Рассчитаны фундаментальные ограничения на добротность такого резонатора. Разработан и рассчитан способ эффективной связи с модами ШГ. Проанализированы возможные нелинейные эффекты в рассматриваемой системе.
Практическая ценность работы
Реализован новый класс оптических приборов открывающий широкие возможности примененния в современной оптике.
в качестве малогабаритного высокодобротного резонатора
в качестве высокоселективного широко перестраиваемого
оптического фильтра с большой резкостью
— в качестве оптического бистабильного и переключающего
элемента
Апробация работы.
Результаты работы докладывались на сессии Отделения общей физики и астрономии АН СССР, на научных семинарах в Институте общей физики РАН, Физическом институте РАН им. П.Н. Лебедева, научных семинарах кафедры молекулярной физики и физических измерений МГУ, семинарах Калифорнийского технологического и
института и Стэнфордского университета (США).
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 4 работы, список которых приведен в конце реферата.
Объем и структура работы.
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, приложения и списка литературы. Общий объем 101 страница, в том числе 31 рисунок и 3 таблицы. Список литературы содержит 105 наименований.
