Nonlinear and far-from-equilibrium dynamics of optical pulses in fiber oscillators

Son otuz yıldır lazerinde kip kilitlemesinin temelleri kapsamlı olarak incelenmiş ve iyi kurulmuştur. Bununla birlikte, yo"gun olarak incelenen bir alan olmaya devam etmektedir. Bu devam eden ilgi, kısmen, mod kilitleme kullanarak ultra-kısa ışık atımlarının "uretilmesiyle sa"glanan bilimsel ve teknolojik uygulamalardan kaynaklanmaktadır. Ayrıca ilgi i^cin daha derin bir sebep de vardır. Onlarca yıldır ^caba g'osterilmesine ra"gmen, modern mod kilitli lazerler, "ozellikle fiber lazerler tarafından g"or"unt"ulenen zengin dinamiklerin tamamı i^cin geçerli olan bir mod kilitleme teorisi hala ortaya konulmamıştır. Mod kilitleme, genellikle lazer kovu"gu ilcinde mevcut g"ur"ult"uden (salınımlardan) kendilisinden başlayan, binlerce optik mod arasında mevcut do"grusal olmayan etkileşimlerin ortaya ^cıkardfgı ortak (kollektif) bir fenomendir. Do"grusal olmayan dinamikler perspektifinden gelen bir^cok cevapsız soruya ek olarak, mod kilitlemenin lazerin termodinamik dengeden uzakta s'uregelen bir kararlı durumuna karşılık gelmesine ra"gmen, termodinamik perspektif adcısından anlaşılması y"on"unde ^cok sınırlı ilerlemeler olmuştur. Bu tezin temel iddiası, mod kilitleme fenomeni ve mod kilitli lazerlerin, sadece do"grusal olmayan fenomenlerin daha iyi anlaşılması i^cin de"gil, aynı zamanda do"grusal olmayan sistemlerin dengeden uzaktan dinamiklerinin daha iyi anlaşılması i^cin deney platformları olarak paha binilmez oldu"gunu ortaya koymaktadır. Teknik adcıdan "ust"un mod kilitli lazerlerin geliştirilmesine pratik yeni y'ontemler "onerilmesi ise ikinci bir ama^ctır. Temel lazer ve mod kilitleme fizi"gini tanıtıcı bir girişten sonra, bu tezin ilk orijinal kısmı, iki kırınım-a"gı tabanlı gecikme hattı (dispersive delay line, DDL) kullanarak "udc"unc"u derece da"gılımın (third-order dispersion, TOD) ve kendi kendini faz mod'ulasyonunun (self-phase modulation, SPM) etkileşimi yoluyla orta d'uzeyde enerjiyle do"grudan y"uz altmış femtosaniye darbe "uretimini bildirir. Bu son^clar etkin olarak negatif (kendinden da"gıtıcı, self-defocusing) do"grusal olmayan etkinin "uretilmesine denk gelmesidir. v vi Do"grusal olmayan dinamikleri "uzerine ^ok sayıda dcal^smaya ra"gmen, osilat"orler idcerisinde optik darbelerin termodinamiği hakkında nispeten az ilerleme vardır. Do"grusal olmayan etkiler, gerid"ong"u (feedback) mekanizmaları, lazer g"ur"ult"us"u (salınımların kayna"gı olarak) ve harici olarak enjekte edilen mod'ulasyonlara veya salınımlara lazerin verdTgi tepki konusunda, CW'den tekli darbeli ve daha sonra dcoklu darbeli duruma geddds durumlarını aradstırıyoruz. Kritik noktaların (istikrarsız dcekicilerin) yakınında, s"on"uml"u solitonların (dissipative soliton, DS) kendi aralarında ve dcevreleriyle etki^simde bulundu"gu g'ozlemlenir ve genellikle farklı atım halleri arasında rasgele gedddsler izlenir. Bu kritik davran^s, lazer kovu"gunun periyodik sınır ^suNarından dolayı, bifurkasyonlara ve kaosun badslamasına neden olan, periyodik solunumun yanı sıra soliton-soliton veya solitonun "uretti"gi da"gınık dalga etkiledsimlerinin neden oldu"gu g"or"ulebilir. Durumların "ozellik parametrelerinden ba"gımsız olarak, lazerin "o^culen g"ur"ult"u seviyesi ("orne"gin, salınınların g"uc"u) d"uds"uk bir de"gerde badslar ve daha sonra DS'nin enerjisi artt^ca hafifdce azalır. Daha fazla g'^c artıdsı (do"grusal olmayanlık), onu yeni bir kararlı durum ol^smadan hemen "once ortaya dcıkan g"ur"ult"ul"u kritik bir duruma iter. Denge d^sındaki kararlı durumlar arasındaki bu g"ur"ult"uye ba"glı gedcidsler, di"ger termal dengeden uzak sistemlerinin termodinamiğine ıdsık tutabilir. Son olarak, bir Yb katkılı fiber lazerin kovu"gunun iddnde bir Fourier d'uzlemine uzaysal ıdsık mod"ulat"or"u (spatial light modulator, SLM) dahil ederek atım dsekillendirmesi idcin spektral genlik ve faz mod'ulasyonu kullanan mod kilitleme durumları "uzerinden do"grudan elektronik kontrol"un"u g"osteriyoruz. Mod"ulasyon, mod kilidini durdurup yeniden badslatmamızı, istikrarsızlıkları bastırmanızı, mod kilitleme durumları arasında kontroll"u geri d"ond"ur"ulebilir ve geri d"ond"ur"ulemez gedcidsler badslatmamızı ve bir bodsluk idcinde gelidsmids darbe dsekillendirme yapmamızı sa"glıyor. Aynı dsekilde, osilat"or"un idcindeki optik spektrumda do"grudan dinamik periyodik faz mod'ulasyonu maskesi uygulayarak femtosaniyelik optik darbelerin manip'ule edilmesini sa"glayan daha basit bir y'ontem sunuyoruz. Do"grusal ve sin"uzoidal spektral maskenin sırasıyla bodslu"gun gecikmesi ve atım b"ol"unmesi idcin kullanıldı"gı etkileri periyodik do"grusal veya testere didsi benzeri faz ile birledstirilebilir. Bu gibi dinamik periyodik do"grusal spektral faz maskesinin uygulanmasıyla, atım dinamiklerini kontrol edebilir, atım-atım ayırma zamanını ayarlama yetene"gi, atım cımbızması, spektral bilecenlerin maviye- ve kırmızı- kaydırma, atım b'olme ve "üretimi yetene"gini g'osterebildik. BildTgimiz kadarıyla ilk kez tanıtılan bu teknik, evreuyumlu kuantum kontrol'u, do"grusal olmayan spektroskopi, mikroskopi, veri saklama, malzemelerin optik ve manyetik "ozelliklerinin vii değiştirilmesi gibi bir dizi uygulamada kullanılabilir. Ayrıca, osilat'or dinamitinin temelleri ve zaman uzayda genişletilmiş sistemlerde di"ger kendi kendini organize edilen fenomenler "uzerinde yapılan çalışmalarda yararlı olabilir.