多モードレーザー系におけるカオスの制御とカオス間相互作用

1996 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 08455040
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 研究機関: 山口東京理科大学
• 研究代表者: 清水 忠雄 山口東京理科大学, 基礎工学部, 教授 (90011668)
• 研究分担者: 久我 隆弘 東京大学, 教養学部, 助教授 (60195419) ; 長谷川 太郎 山口東京理科大学, 基礎工学部, 助手 (80289305)
• キーワード: カオス / 気体レーザー / 非線形光学系 / 変調(カオスの) / 同期(カオスの) / 多モード系

研究概要

最近盛んに研究されている多自由度・散逸系(複雑系)の非線形光学系のモデルとして多モード・レーザー系のダイナミックスを調べることが本研究の目的である。可飽和吸収媒質を共振器内にもつCO_2レーザー(以後CO_2-LSAと略記)は実験的に制御が容易で、またその特性を詳細に記述する方程式も求められているので、複雑系に内在する秩序構造を明らかにするための格好の研究対象である。
1。CO_2-LSAの外部変調効果
可飽和吸収媒質にシュタルク電場を印加すると吸収線の中心がシフトしレーザー共振器の損失が変化する。このことを利用してCO_2-LSAを外部から電気的信号で変調することが出来る。その結果、(1)カオス発振を生じるパラメーター領域の近傍に周期発振(周期T_0)をするパラメーター領域(周期窓)が存在するが、外部変調周期TがT_0に近いときには変調により周期窓が移動したりその範囲が拡大することを実験的、理論的に明らかにした。カオス状態にある系を外部からの制御により規則的状態にひきこむ可能性を示すものである(Phys.Rev.A52(1995)1562)。(2)あらかじめ電気的に記録しておいた信号を変調信号としてレーザー系に加えると、レーザー系は過去のカオス発振に同期されることが実験的、理論的に示された。これによって(i)記録されたカオス発振の時系列に含まれる任意の発振パターンが意図的に再現出来る。(ii)記録された時系列に含まれる不安定な周期発振の一部を選び出し、これを変調信号として繰り返しレーザー系に加える事により、レーザー系をあらかじめ選んだ周期的発振に引き込む事が出来るなどの操作が可能になり、カオス系の応用の可能性を大きく広げることが出来る(Phys.Rev.E54(1996)4476)。
2。空間的に重畳した2モード発振CO_2-LSAのカオス
レーザー共振器を調整することでTEM_<00>モードとTEM_<01>モードを同時発振させることが出来る。この系は反転分布や光子密度が複雑にからみあった自由度のより大きな散逸系である。この系について実験、理論の両面から(1)2モードがレーザー管の中で交差緩和しているとした連立微分方程式で観測発振波形を忠実に再現出来ることがわかった(Phys.Rev.A43(1991)1498)。(2)レーザー方程式のパラメーターについての相図による解析から2種類のカオス領域があることが明らかになった。このうち1つのカオスのフラクタル次元は他のそれより高い事がわかった。2種類のカオスの特性およびカオスに至るルートの特徴などについてさらに詳しい研究を継続する。

研究成果

• [文献書誌] 塚本,清水,立川,平野,久我: "Synchronization of a chaotic laser pulsation with its prerecorded history" Physical Review E. 54-4. 4476-4479 (1996)
• [文献書誌] 塚本,立川,菅原,清水: "Locking of a passive Q-switched chaotic laser system to a small external modulation" Physical Review A. 52-2. 1561-1569 (1955)
• [文献書誌] 谷井,立川,藤平,港,清水: "Instability and chaos in two-mode oscillation of a CO_2 laser modulated by a saturable absorber" Physical Review A. 43-3. 1498-1501 (1991)
• [文献書誌] 菅原,立川,塚本,清水: "Observation of synchronization in Laser Chaos" Phys.Rev.Letters. 72-22. 3502-3505 (1994)
• [文献書誌] 藤平,立川,清水: "Rate-Equation Analysis of Deterministic Chaos in a Laser with a Safuroble Absorber" Phys.Rev.A. 45-7. 5166-5170 (1992)