Взаимодействие встречных световых волн из малого числа колебаний в нелинейных диэлектрических средах
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ,
МЕХАНИКИ И ОПТИКИ
На правах рукописи
Буяновская Елизавета Михайловна
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ВСТРЕЧНЫХ СВЕТОВЫХ ВОЛН ИЗ МАЛОГО ЧИСЛА КОЛЕБАНИЙ В НЕЛИНЕЙНЫХ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СРЕДАХ
Специальность 01.04.05 – оптика
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата физико-математических наук
Санкт-Петербург
2012
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы
Нелинейная оптика волн, которые состоят лишь из нескольких колебаний электромагнитного поля – это сегодня передовые рубежи исследований оптики и лазерной физики сверхкоротких интенсивных световых импульсов. Нелинейная оптика таких волн имеет существенно отличительные черты. Это связано, в первую очередь, с неразрушением оптических сред (по крайней мере, за длительность импульса) даже при весьма высоких интенсивностях излучения. Достижение высоких интенсивностей световых волн в среде без оптического пробоя вещества приводит к возможности наблюдать ярко выраженными эффекты, которые для длинных импульсов являются слабыми, а иногда и к качественному изменению самого облика известных нелинейно-оптических явлений.
Для предельно коротких по числу колебаний волн теряет свой физический смысл понятие огибающей светового импульса. Поэтому основная проблема теоретического изучения явлений нелинейной оптики волн из малого числа колебаний состоит в необходимости разработки новых, не связанных с рассмотрением эволюции привычной огибающей, подходов к анализу динамики поля и спектров излучения.
Обоснованию новых методов анализа и изучению особенностей самовоздействия одиночных световых импульсов из малого числа колебаний в различных оптических средах посвящено уже большое число теоретических и экспериментальных работ. Привлекающим наибольший интерес эффектом самовоздействия одиночных импульсов из малого числа колебаний в нелинейных оптических средах является, по-видимому, сверхуширение их спектра. Значительно на сегодняшний день и число работ, посвященных теоретическим и экспериментальным исследованиям взаимодействия в нелинейных средах сонаправленных световых импульсов из малого числа колебаний. Столкновение сонаправленных волн разного спектрального состава приводит к существенному увеличению числа сценариев сверхуширения спектров взаимодействующих импульсов.
Статьи, посвященные изучению взаимодействия в нелинейных средах встречных волн из малого числа колебаний на момент начала настоящей работы были немногочисленны. Однако в таких процессах, несмотря на короткое время взаимодействия, при высоких интенсивностях сталкивающихся импульсов за счет смешения частот можно ожидать получения излучения в широком спектральном диапазоне: от предельно коротких терагерцовых до аттосекундных импульсов ультрафиолетового диапазона спектра. Важным также представляется изучение изменений принципов действия в поле встречных волн предельно коротких длительностей нелинейных интерферометров, которые могут быть использованы в системах сверхбыстрой обработки информации. Ультракоротким встречным зондирующим импульсом возможно диагностировать сверхбыстрые явления, происходящие в поле интенсивного импульса и т.п. Поэтому построение теории взаимодействия встречных световых импульсов из малого числа колебаний является важным этапом в развитии нелинейной оптики импульсов предельно коротких длительностей.
Цель работы состояла в теоретическом исследовании основных закономерностей взаимодействия встречных световых импульсов из малого числа колебаний в нелинейных диэлектрических средах.
Для достижения цели решались следующие задачи:
1. Вывод уравнений динамики поля встречных световых импульсов из малого числа колебаний в однородных изотропных диэлектрических средах с дисперсией линейного показателя преломления и с безынерционной кубичной по полю нелинейностью;
2. Получение аналитических решений выведенных уравнений взаимодействия полей встречных световых импульсов из малого числа колебаний в различных приближениях;
3. Выявление основных закономерностей взаимодействия встречных световых импульсов из малого числа колебаний в однородных изотропных диэлектрических средах с безынерционной кубичной нелинейностью;
4. Вывод выражения, описывающего параметры излучения, отраженного от металлического зеркала с прозрачным нелинейным диэлектрическим покрытием, в котором происходит взаимодействие падающего на зеркало и отраженного от него излучения;
5. Выявление основных закономерностей отражения световых импульсов из малого числа колебаний от металлического зеркала с прозрачным нелинейным диэлектрическим покрытием, обусловленных взаимодействием в покрытии световых импульсов.
Методы исследования:
Теоретические задачи, поставленные в рамках данной работы, решались на основе нелинейных уравнений динамики непосредственно поля световых импульсов, а не их огибающих. В силу скоротечности взаимодействия встречных волн из малого числа колебаний использовались итерационные методы решения выведенных уравнений. Численное моделирование аналитически полученных решений уравнений динамики поля встречных импульсов из малого числа колебаний было выполнено в программном пакете Matlab при использовании известных численных методов дифференцирования и интегрирования. Экспериментальное подтверждение наблюдаемости теоретически изучаемых явлений было осуществлено с помощью 40 фc импульсов Ti:S лазера.
Защищаемые положения:
1. Выведены уравнения эволюции полей встречных световых импульсов из малого числа колебаний при их взаимодействии в однородных изотропных диэлектрических средах с нерезонансной дисперсией линейного показателя преломления и безынерционной кубической нелинейностью. Показано, что для импульсов с большим числом колебаний полученные уравнения переходят в известные уравнения взаимодействия встречных квазимонохроматических волн.
2. Показано, что в нелинейных средах с размерами большими области взаимодействия импульсов фазовый сдвиг по каждому импульсу, пропорциональный энергии встречного импульса, сопровождается смещением «центра тяжести» его спектральной плотности в коротковолновую область тем большим, чем меньше колебаний в импульсе.
3. Показано, что в нелинейных средах с размерами меньшими области взаимодействия импульсов и размещенных симметрично центру их взаимодействия возможна генерация излучения комбинационных и кратных частот, энергия которого по отношению к энергии исходного импульса при неизменной максимальной интенсивности взаимодействующих волн увеличивается при уменьшении числа колебаний в импульсах. При уменьшении размеров нелинейной среды отношение энергии излучения, генерируемого на комбинационных и кратных частотах, к энергии исходных волн меняется квазипериодически.
4. Выведено аналитическое выражение, описывающее зависимость параметров поля излучения, отраженного от металлического зеркала с прозрачным нелинейным диэлектрическим покрытием, от параметров поля падающей на зеркало световой волны из малого числа колебаний и характеристик диэлектрического покрытия.
5. Показано, что при отражении импульсов из малого числа колебаний от металлического зеркала с прозрачным диэлектрическим покрытием в результате взаимодействия импульсов в диэлектрическом покрытии при любых его толщинах происходит генерация излучения утроенных частот, отношение энергии которого к энергии падающего на зеркало импульса увеличивается при уменьшении числа колебаний в нем. При уменьшении толщины нелинейной среды отношение энергии излучения на утроенных частотах к энергии исходного импульса носит квазипериодический характер, причем глубина модуляции и число осцилляций в нем тем больше, чем больше колебаний в импульсе. При больших толщинах отношение энергии излучения утроенных частот к энергии отражаемого импульса становится неизменным.
Апробация основных результатов: Результаты диссертационной работы апробировались на 24 Международных и Российских конференциях: Международных конференциях молодых ученых и специалистов «Оптика» (Санкт-Петербург, 2005, 2007, 2009, 2011), Международной конференции ICONO/ LAT (Минск, Беларусь, 2007), Международных конференциях LOYS (Санкт-Петербург, 2008, 2010), Международных конференциях «Фундаментальные проблемы оптики» (Санкт-Петербург, 2006, 2008, 2010), Всероссийских школах-семинарах «Волновые явления в неоднородных средах» (Звенигород, Московская область, 2006, 2010) и «Физика и пременение микроволн» (Звенигород, Московская область, 2011), Международных конференциях ICO Topical Meeting on Optoinformatics/Information Photonics (Санкт-Петербург, 2006, 2008), Международной конференции SPIE Photonics West, LASE (San Jose, California, USA, 2008), Международных конференциях Developments in Optics and Communications (Riga, Latvia, 2009, 2010), научно-технической конференции-семинаре по фотонике и информационной оптике (Москва, 2011), научных и учебно-методических конференциях СПбГУ ИТМО (Санкт-Петербург, 2006, 2007, 2009, 2011, 2012)
Публикации:
Основные результаты диссертации изложены в 18 печатных работах, 4 из них в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
ОСНОВНЫЕ РАБОТЫ, ОПУБЛИКОВАННЫЕ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Статьи в журналах, рекомендованных ВАК:
- Буяновская Е.М, Козлов С.А. Взаимодействие встречных световых импульсов из малого числа колебаний в нелинейных диэлектрических средах. Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО, 2006, В. 30, с. 97-101.
- Буяновская Е.М., Козлов С.А. Динамика полей встречных световых импульсов из малого числа колебаний в нелинейных диэлектрических средах. Письма в ЖЭТФ, 2007, Т. 86, В. 5-6, с. 349-353.
- Буяновская Е.М., Козлов С.А. Закономерности взаимодействия встречных световых волн из малого числа колебаний в нелинейных диэлектрических средах. Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО, 2010, Т.66, №2, с. 23-29.
- Буяновская Е.М., Козлов С.А. Взаимодействие встречных световых импульсов из малого числа колебаний в нелинейных диэлектрических средах и генерация излучения на комбинационных частотах в этом процессе. Оптика и спектроскопия, 2011, Т.111, №2, c. 325-332.
Публикации в других изданиях:
- Буяновская Е. М., Козлов С. А. Динамика светового поля встречных импульсов из малого числа колебаний при их взаимодействии в нелинейных диэлектрических средах. В кн.: Сборник трудов IV Mеждународной конференции молодых ученых и специалистов «Оптика-2005», Санкт-Петербург, 2005, с.82-83.
- Буяновская Е.М, Козлов С.А. Генерация утроенных частот при взаимодействии встречных импульсов из малого числа колебаний в нелинейных диэлектрических средах. В кн.: Материалы Х Всероссийской школы – семинара «Волновые явления в неоднородных средах», Москва, 2006, с.26-28.
- Buyanovskaya E.M., Kozlov S.A. Interaction of counter-propogating femtosecond pulses with continuum spectra. – In.: Proceedings of ICO Topical Meeting on Optoinformatics, Saint-Petersburg, 2006, p. 408-410.
- Буяновская E.M. Динамика светового поля и спектра при взаимодействии встречных импульсов из малого числа колебаний в нелинейных диэлектрических средах. В кн.: Материалы научной молодежной школы "Оптика-2006", Санкт-Петербург, 2006, с.4.
- Буяновская Е.М., Козлов С.А. Генерация излучения кратных частот при взаимодействии встречных импульсов из малого числа колебаний в нелинейных диэлектрических средах. В кн.: Материалы V Mеждународной конференции молодых ученых и специалистов «Оптика-2007», Санкт-Петербург, 2007, с. 44-45.
- Буяновская Е.М., Козлов С.А. Увеличение эффективности генерации излучения комбинационных частот при сокращении числа колебаний взаимодействующих встречных импульсов. В кн.: Материалы научной молодежной школы "Оптика-2008", Санкт-Петербург, 2008, с. 147-149.
- Buyanovskaya E. M., Kozlov S. A. Interaction of intense counter-propagating pulses consisting of few oscillations and different spectral distribution in dielectric media. – In.: Materials of the International Student Conference “Developments in Optics and Communications 2009”, Riga, Latvia, 2009, p.28-29.
- Буяновская Е.М., Козлов С.А. Закономерности взаимодействия плоских встречных световых волн из малого числа колебаний. В кн.: Материалы VI Mеждународной конференции молодых ученых и специалистов «Оптика-2009», Санкт-Петербург, 2009, с. 171-174.
- Буяновская Е.М., Козлов С.А., Мохнатова О.А. Методические рекомендации по выполнению исследовательских курсовых работ, научно-технологических практик и выпускных квалификационных бакалаврских работ. – СПб: СПбГУ ИТМО, 2009. 100 c.
- Буяновская Е.М., Козлов С.А. Закономерности динамики поля и генерации излучения на комбинационных частотах при взаимодействии встречных световых импульсов из малого числа колебаний в нелинейных диэлектрических средах. В кн.: Труды научно-исследовательского центра фотоники и оптоинформатики, 2009, c. 44-55.
- Buyanovskaya E. M., Kozlov S. A. Laws of generation of radiation on combinational frequencies within the interaction of counter-propagating few-cycle pulses in nonlinear dielectric media. – In.: Materials of the International Student Conference “Developments in Optics and Communications 2010”, Riga, Latvia, 2010, p.17.
- Буяновская Е.М., Козлов С.А. Закономерности генерации излучения во встречных световых волнах из малого числа колебаний. В кн.: Труды VI международной конференции «Фундаментальные проблемы оптики» «ФПО – 2010», Санкт-Петербург, 2010, с.170-172.
- Буяновская Е.М., Козлов С.А. Взаимодействие встречных световых импульсов из малого числа колебаний в нелинейных диэлектрических средах и генерация излучения на утроенных частотах в этом процессе. В кн.: Труды научно-исследовательского центра фотоники и оптоинформатики, 2010, c.53-66.
- Буяновская Е.М., Козлов С.А. Генерация излучения на комбинационных и смещенных частотах при взаимодействии встречных световых импульсов из малого числа колебаний в нелинейных диэлектрических средах. В кн.: Труды Научной сессии НИЯУ МИФИ-2011, Научно-технической конференции-семинара по фотонике и информационной оптике, 2011, с.136-137.
