Учёные МГУ предложили новый метод поиска временных солитонов при взаимодействии трёх волн

Современные исследования в области нелинейной оптики всё чаще сосредотачиваются на изучении солитонов — устойчивых волновых пакетов, которые могут распространяться на большие расстояния без изменения формы. Особый интерес вызывают многоволновые (или многоцветные) солитоны, которые формируются при взаимодействии нескольких волн с разными частотами в средах с нелинейным откликом. Эти явления находят применение в оптических коммуникациях, лазерных технологиях и квантовой оптике.

Учёные ВМК МГУ предложили новый метод нахождения временных солитонов, возникающих при взаимодействии трёх волн с частотами ω, 2ω и 3ω в среде с комбинированным квадратичным и кубическим нелинейным откликом. В работе рассматривается система связанных нелинейных уравнений Шрёдингера, которая учитывает дисперсию второго порядка (SOD) и расстройку групповых скоростей (GVM).

Разработанный метод включает два ключевых этапа. На первом этапе в приближении длинных импульсов строится решение, постоянное вдоль координаты распространения. Это позволяет описать так называемый «частотно-модулированный солитон» (chirped soliton).

На втором этапе проводится анализ устойчивости этого решения к влиянию дисперсии второго порядка. Исследователи вывели условия, при которых солитон остаётся стабильным и распространяется на большие расстояния без потерь формы и существенной перекачки энергии между волнами. Компьютерное моделирование подтвердило, что предложенный метод позволяет описывать стабильные солитоны даже в случае отсутствия группового синхронизма.

«Наш метод позволяет находить устойчивые временные солитоны для различных задач, в которых ранее предложенные методы оказываются неприменимыми. Это открывает новые возможности для применения таких солитонов в оптических коммуникациях и лазерных системах», — отметил Дмитрий Харитонов, ассистент кафедры математической физики ВМК МГУ.

Результаты исследования могут быть использованы в разработке оптических коммуникационных систем следующего поколения, где стабильное распространение многоволновых солитонов позволит увеличить дальность передачи сигнала и скорость передачи данных. Кроме того, предложенный метод может найти применение в лазерных технологиях и управлении световыми импульсами в нелинейных средах.

Будущие исследования будут направлены на изучение взаимодействия более чем трёх волн и применение разработанного метода к другим типам нелинейных сред. Это позволит расширить область применения многоволновых солитонов в оптических коммуникациях и других приложениях, таких как технологии трёхмерной печати.

Работа представлена на Международной конференции Laser Optics (ICLO-2024).

Фото: Christophe.Finot et Kamal HAMMANI, commons.wikimedia.org