Известия высших учебных заведений

Прикладная нелинейная динамика

ISSN 0869-6632 (Print)
ISSN 2542-1905 (Online)


Для цитирования:

Морозов Ю. А. Внутрирезонаторный оптический параметрический осциллятор: модель динамической системы с различными временами запаздывания для накачивающего и сигнального излучения // Известия вузов. ПНД. 2021. Т. 29, вып. 5. С. 727-738. DOI: 10.18500/0869-6632-2021-29-5-727-738

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).
Полный текст в формате PDF(Ru):
(загрузок: 18)
Язык публикации: 
русский
Тип статьи: 
Научная статья
УДК: 
535.015; 535.14; 535.530; 537.86

Внутрирезонаторный оптический параметрический осциллятор: модель динамической системы с различными временами запаздывания для накачивающего и сигнального излучения

Авторы: 
Морозов Юрий Александрович, Саратовский филиал Института радиотехники и электроники имени В.А.Котельникова РАН (СФ ИРЭ)
Аннотация: 

Большинство современных внутрирезонаторных оптических параметрических генераторов (осцилляторов, ОПО) строится по схеме с размещением однорезонаторного ОПО внутри резонатора лазера накачки. При этом резонаторы лазера накачки и излучения резонансного для поля ОПО (сигнального излучения) имеют, как правило, различные времена кругового обхода (запаздывания). Цель настоящего исследования состоит в построении математической модели внутрирезонаторного оптического параметрического осциллятора (ВРОПО) как динамической системы с двумя значениями запаздывания в резонаторах накачки и сигнального излучения и применении этой модели для анализа состояния стационарного режима и его устойчивости. Методы. Построенная математическая модель позволяет исследовать состояние равновесия динамической системы и с помощью решения характеристического уравнения – устойчивость этого состояния. Результаты. Установлено, что множество решений характеристического уравнения состоит из комплексно-сопряженных пар с мнимыми частями, находящимися в приблизительно кратном отношении с частотами межмодовых колебаний в резонаторах накачки и сигнала. Построена диаграмма устойчивости на плоскости параметров длина резонатора ОПО – положение нелинейного кристалла внутри этого резонатора. Определены особенности разбиения этой плоскости на области устойчивости/неустойчивости в зависимости от поведения корней характеристического уравнения. Обсуждение. Результаты проведенных исследований дополняют физические представления о внутрирезонаторных параметрических генераторах, поскольку позволяют рассматривать ВРОПО как динамическую систему с запаздыванием. 

Благодарности: 
Работа выполнена в рамках государственного задания ИРЭ им. В. А. Котельникова РАН
Список источников: 
  1. Faist J., Capasso F., Sivco D. L., Sirtori C., Hutchinson A. L., Cho A. Y. Quantum cascade laser // Science. 1994. Vol. 264, no. 5158. P. 553–556. DOI: 10.1126/science.264.5158.553.
  2. Tittel F. K., Richter D., Fried A. Mid-Infrared Laser Applications in Spectroscopy // In: Sorokina I. T., Vodopyanov K. L. (eds) Solid-State Mid-Infrared Laser Sources. Vol. 89 of Topics in Applied Physics. Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag, 2003. P. 458–529. DOI: 10.1007/3-540-36491-9_11.
  3. Дмитриев В. Г., Тарасов Л. В. Прикладная нелинейная оптика. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004. 512 с.
  4. Das S. Optical parametric oscillator: status of tunable radiation in mid-IR to IR spectral range based on ZnGeP2 crystal pumped by solid state lasers // Optical and Quantum Electronics. 2019. Vol. 51, no. 3. P. 70. DOI: 10.1007/s11082-019-1782-3.
  5. Wang K., Gao M., Yu S., Ning J., Xie Z., Lv X., Zhao G., Zhu S. A compact and high efficiency intracavity OPO based on periodically poled lithium niobate // Sci. Rep. 2021. Vol. 11, no. 1. P. 5079. DOI: 10.1038/s41598-021-84721-9.
  6. Wu R. F., Phua P. B., Lai K. S., Lim Y. L., Lau E., Chng A., Bonnin C., Lupinski D. Compact 21-w 2-µm intracavity optical parametric oscillator // Opt. Lett. 2000. Vol. 25, no. 19. P. 1460–1462. DOI: 10.1364/OL.25.001460.
  7. Liu Y., Xie X., Ning J., Lv X., Zhao G., Xie Z., Zhu S. A high-power continuous-wave mid-infrared optical parametric oscillator module // Appl. Sci. 2018. Vol. 8, no. 1. P. 1–5. DOI: 10.3390/app8010001.
  8. Morozov Y. A., Morozov M. Y., Kozlovsky V. I., Okhotnikov O. G. Compact intracavity singlyresonant optical parametric oscillator pumped by GaSb-based vertical external cavity surface emitting laser: Concept and the main operational characteristics // IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 2015. Vol. 21, no. 1. P. 1603105. DOI: 10.1109/JSTQE.2014.2385310.
  9. Henderson A. J., Padgett M. J., Colville F. G., Zhang J., Dunn M. H. Doubly-resonant optical parametric oscillators: tuning behaviour and stability requirements // Opt. Commun. 1995. Vol. 119, no. 1–2. P. 256–264. DOI: 10.1016/0030-4018(95)00278-G.
  10. Colville F. G., Dunn M. H., Ebrahimzadeh M. Continuous-wave, singly resonant, intracavity parametric oscillator // Opt. Lett. 1997. Vol. 22, no. 2. P. 75–77. DOI: 10.1364/ol.22.000075.
  11. Stothard D. J. M., Ebrahimzadeh M., Dunn M. H. Low-pump-threshold continuous-wave singly resonant optical parametric oscillator // Opt. Lett. 1998. Vol. 23, no. 24. P. 1895–1897. DOI: 10.1364/OL.23.001895.
  12. Stothard D. J. M., Hopkins J.-M., Burns D., Dunn M. H. Stable, continuous-wave, intracavity, optical parametric oscillator pumped by a semiconductor disk laser (VECSEL) // Opt. Express. 2009. Vol. 17, no. 13. P. 10648–10658. DOI: 10.1364/OE.17.010648.
  13. Turnbull G. A., Dunn M. H., Ebrahimzadeh M. Continuous-wave, intracavity optical parametric oscillators: an analysis of power characteristics // Appl. Phys. B. 1998. Vol. 66, no. 6. P. 701–710. DOI: 10.1007/s003400050456.
  14. Debuisschert T., Raffy J., Pocholle J.-P., Papuchon M. Intracavity optical parametric oscillator: study of the dynamics in pulsed regime // J. Opt. Soc. Am. B. 1996. Vol. 13, no. 7. P. 1569–1587. DOI: 10.1364/JOSAB.13.001569.
  15. Morozov Y. A. Transient power characteristics of a compact singly resonant intracavity optical parametric oscillator pumped by a semiconductor disk laser // J. Opt. Soc. Am. B. 2016. Vol. 33, no. 7. P. 1470–1475. DOI: 10.1364/JOSAB.33.001470.
  16. Morozov Y. A. Multi-mode dynamics of optical oscillators based on intracavity nonlinear frequency down-conversion // Appl. Phys. B. 2018. Vol. 124, no. 1. P. 12. DOI: 10.1007/s00340-017-6881-x.
  17. Hempler N., Robertson G., Hamilton C., Maker G. T., Malcolm G. P. A. Advances in narrowlinewidth continuous wave semiconductor disk laser pumped optical parametric oscillators // Proc. SPIE. 2012. Vol. 8242. P. 82420J. DOI: 10.1117/12.905889.
  18. Morozov Y. A., Morozov M. Y., Balakin M. I., Kochkurov L. A., Konyukhov A. I. Time-delay model of nonlinear frequency down-conversion in the cavity of a semiconductor disk laser // Physical Review Applied. 2019. Vol. 11, no. 4. P. 044027. DOI: 10.1103/PhysRevApplied.11.044027.
  19. Морозов Ю. А. Анализ устойчивости состояния равновесия внутрирезонаторного оптического параметрического генератора: Метод разложения по малому параметру // Известия вузов. ПНД. 2020. Т. 28, № 4. C. 348–360. DOI: 10.18500/0869-6632-2020-28-4-348-360.
  20. Engelborghs K., Luzyanina T., Roose D. Numerical bifurcation analysis of delay differential equations using DDE-BIFTOOL // ACM Transactions on Mathematical Software. 2002. Vol. 28, no. 1. P. 1–21. DOI: 10.1145/513001.513002.
Поступила в редакцию: 
04.05.2021
Принята к публикации: 
03.06.2021
Опубликована: 
30.09.2021