Стартовая Предметный указатель Новости науки и техники
Новости науки и техники
Взгляд в 2020 год. Лазеры
Будущие открытия в области физики лазеров.
Корреспонденты журнала Nature опросили ученых из разных областей науки.
Те, кто задумал и изобрел лазер 50 лет назад не могли предсказать той роли, которую они стали играть в течение последней половины века: от средств связи до контроля окружающей среды, от производства до медицины, от развлечений до научных исследований. Далее...

Лазер

синхронизация колебаний

СИНХРОНИЗАЦИЯ КОЛЕБАНИЙ - согласование частот, фаз или др. характеристик сигналов, генерируемых взаимодействующими колебательными системами. Различают взаимную С. к., когда парциальные подсистемы перестраивают режим колебаний друг друга, и внешнюю (вынужденную) С. к., когда характеристики колебаний системы (систем) изменяются под действием внеш. силы. Вынужденную синхронизацию по частоте колебаний, т. е. навязывание системе, характеризующейся в автономном режиме одной частотой колебаний, др. частоты, определяемой внеш. силой, называют захватыванием частоты. Захватывание частоты - простейший пример явления синхронизации, к-рый был описан ещё X. Гюйгенсом (Ch. Huygens) в связи с ускорением или замедлением хода часов, висящих на независимо колеблющейся балке (см., напр., [1]).

Наиб. полно развита теория С. к. для квазигармонических колебаний в слабо нелинейных системах [2-4].

В частности, усреднённые по периоду внеш. силы ур-ния для комплексной амплитуды а нелинейного генератора с одной степенью свободы, находящегося под действием слабой гармонической силы, имеют вид:
8038-3.jpg

где8038-4.jpg - действительные параметры:8038-5.jpg - расстройка между частотой автоколебаний и частотой внеш. силы,8038-6.jpg - коэф. усиления в автономном генераторе,8038-7.jpg - нелинейный сдвиг частоты. Режиму С. к. соответствует устойчивое положение равновесия системы (1). В исходном же (3-мерном) фазовом пространстве режиму С. к. отвечает устойчивый предельный цикл .При увеличении8038-8.jpg режим С. к. либо перестаёт существовать (при слабых внеш. сигналах), либо теряет устойчивость (в случае сильных сигналов). Область значений расстроек, для к-рых реализуется режим С. к., наз. полосой захватывания. Граница полосы захватывания находится из (1): из условия существования режима С. к. (а = 0) устанавливается резонансная кривая8038-10.jpg , где8038-11.jpg - интенсивность автоколебаний в режиме С. к., и по линеаризованному ур-нию определяется устойчивость этого режима. На рис. 1 показаны полосы захватывания в случаях слабых и сильных сигналов. На рис. 2 изображены последовательности фазовых портретов на плоскости (Rea, Ima),. отвечающих (1) при разных значениях расстройки. При переходе через границу области захватывания режим С. к. сменяется режимом биений - наблюдается бифуркация Андронова - Хопфа (при сильных сигналах) или бифуркация рождения предельного цикла из петли, сепаратрисы седло - узел (при слабых сигналах). В исходном (3-мерном) фазовом пространстве переходу к режиму биений отвечает рождение притягивающего двумерного тора с квазипериодич. обмоткой. Аналогичным образом можно исследовать С. к. ансамбля генераторов, находящихся под действием одной и той же внеш. гармонической силы [5, 6].
8038-9.jpg

Рис. 1.

8038-12.jpg

Рис. 2.

Явление взаимной синхронизации генераторов квазигармонических колебаний в простейшем случае бигармонического резонанса8038-13.jpg может быть исследовано в рамках системы ур-ний для комплексных амплитуд а1,2 взаимодействующих мод в автогенераторе с двумя степенями свободы:
8038-14.jpg

где8038-15.jpg - расстройка от точного резонанса, h1,2 - инкременты каждой из мод,8038-16.jpg - параметры, характеризующие конкуренцию мод, а8038-17.jpg - их резонансное взаимодействие. Здесь также режиму С. к. отвечает устойчивое состояние равновесия, граница области устойчивости к-рого и определяет границу области взаимной синхронизации [3]. Взаимная синхронизация наблюдается в системах с числом степеней свободы8038-18.jpg 2, и во многих ситуациях после разрушения режима С. к. возможно возникновение стохастических автоколебаний (см. Стохастические колебания ).Явление С. к. наблюдается не только в случае, когда частоты парциальных генераторов близки друг к другу, но и когда они близки к кратным друг друга (синхронизация на гармониках и субгармониках). Именно за счёт взаимной синхронизации мод оптич. резонатора удаётся реализовать режим генерации ультракоротких импульсов в лазерах [7].

В сильно нелинейном случае усреднённое описание, приводящее к ур-ниям типа (1) и (2), не адекватно задаче, и здесь используется качеств. теория линамических систем. В этой теории явление синхронизации периодич. колебаний двух автоколебат. систем можно описать следующим образом. Каждой из систем свойственны периодич. автоколебания, т. е. в ее фазовом пространстве имеется устойчивый предельный цикл - L1 и L2 соответственно.
8038-19.jpg

Система
8038-20.jpg

при8038-21.jpg = 0 будет иметь притягивающий двумерный тор8038-22.jpg (каждая система колеблется независимо от другой). При возрастании параметра связи8038-23.jpgдвижение в парциальных подсистемах системы (5) перестаёт быть независимым, что отвечает бифуркациям на торе8038-24.jpg [остающемся аттрактором для системы (5)]. В частности, явлению синхронизации отвечает рождение устойчивого предельного цикла на этом торе.

Более подробную информацию о перестройках в системе при изменении параметра связи даёт т. н. дьявольская лестница - график зависимости числа вращения системы на торе8038-25.jpg от параметра связи. [Число вращения - это предел отношения фаз бывших независимыми при8038-26.jpg = 0 колебаний парциальных генераторов:

Зависимость8038-27.jpg числа вращения от величины параметра связи имеет вид непрерывно уменьшающихся ступеней (рис. 3). Точнее, ф-ция8038-29.jpg растёт на канторовом множестве. Каждое своё значение, равное отношению целых чисел p/q (синхронизация), число вращения принимает, вообще говоря, на нек-ром интервале, а числа р и q соответствуют номерам гармоник, на к-рых осуществляется взаимная синхронизация. Если следить за изменением не только параметра связи, но и др. параметра (напр., надкритичности в каждом из генераторов), то области синхронизации будут изображаться уже не на прямой, а на плоскости. Обычно эти области имеют вид «языков» [8] (т. н. языки Арнольда [9]) - рис. 4.
8038-28.jpg

Рис. 3.

8038-30.jpg

Рис. 4.

8038-31.jpg

Рис. 5.

Взаимное согласование движений свойственно генераторам не только периодических, но и стохастических автоколебаний. Принципиальное отличие от случая периодич. колебаний здесь в том, что движения взаимодействующих неидентичных подсистем согласуются лишь в среднем по времени. При этом могут быть одинаковыми топология проекций странных аттракторов на парциальные подпространства, их размерности, спектры мощности парциальных колебаний. В то же время сами реализации локально по времени могут не совпадать. На рис. 5 представлены странные аттракторы парциальных подсистем в автономном режиме (С = 0) и проекции аттрактора на парциальные подпространства в режиме стохастич. синхронизации (С = 10) для системы, описываемой ур-ниями вида:
8038-32.jpg

(напр.,8038-33.jpg = 2, k1 = 0,48, k2 = 0,45 для двух связанных параметрически возбуждаемых генераторов [10]). Степень стохастич. синхронизации может быть различной; в частности, в нек-рых ситуациях, когда взаимодействуют идентичные подсистемы, совпадение парциальных колебаний может быть полным.

Лит.: 1) Блехман И. И., Синхронизация в природе и технике, М., 1981; 2) Андронов А. А., В и т т А. А., К математической теории захватывания, в кн.: А н д р о н о в А. А., Собр. трудов, М., 1956; 3) Блакьер О., Анализ нелинейных систем, пер. с англ., М., 1969; 4) Рабинович М. И., Трубецкой Д. И., Введение в теорию колебаний и волн, М., 1984; 5) A i z a w a Y., Synergetic approach to the phenomena of mode-locking in nonlinear systems, «Progr. Theor. Phys.», 1976, v. 56, № 3, p. 703; 6) Рабинович М. И., Стохастические автоколебания и турбулентность, «УФН», 1978, т. 125, с. 123; 7) Квантовая радиофизика, 2 изд., т. 2 - X а н и н Я. И., Динамика квантовых генераторов, М., 1975; 8) Арнольд В. И., Малые знаменатели: 1. Об отображениях окружности на себя, «Изв. АН СССР. Сер. мат.», 1961, т. 25, с. 21; 9) Т h о m р s о n J. М., S t e w a r t H. В., Nonlinear dynamics and chaos, N. Y.- [a. o.], 1986; 10) А ф р а й м о в и ч